2025.11.17

熱交換器的冷熱循環疲勞分析

熱交換器的冷熱循環疲勞分析

什麼是熱交換器？

熱交換器(Heat Exchanger)是一種專門於兩種或多種流體之間傳遞熱能，而不讓其混合的裝置，流體可以是液體或是氣體， 熱能的傳輸能夠進行加熱、冷卻或兩者兼具。熱交換器廣泛應用於各類對熱管理要求極高的工業領域，包括汽車動力系統、冷暖空調系統以及能源發電設備等。
 

熱交換器冷熱循環疲勞分析的挑戰

在冷熱溫差劇烈的工作環境下，熱交換器需長期承受熱脹冷縮及壓力變化所帶來的機械負荷，容易導致結構疲勞與損壞。因此，在設計階段就進行冷熱循環疲勞分析，是提升使用壽命與運作效能的關鍵。主要挑戰包括：

  1. 流固耦合模擬（FSI）：分析流體與結構交互作用對熱交換器效率與壽命的影響，實現最佳化設計。
  2. 疲勞壽命預測：預測熱交換器在冷熱循環下的疲勞壽命。
  3. 幾何形狀最佳化：最佳化零件的幾何形狀，以提升熱交換器的使用壽命。

 

我們的解決方案

Ansys 的多物理場模擬分析工具，可建構完整的熱交換器設計流程，大幅縮短產品設計週期，提升熱交換器的效率與壽命，解決方案包括:

  1. 流固耦合分析：使用 Ansys Fluent 與 Ansys Mechanical 進行流固耦合 (FSI) 模擬，並透過 Ansys optiSLang 最佳化熱交換器的幾何設計。
  2. 疲勞壽命分析：Ansys nCode DesignLife 內建多種疲勞壽命計算模型，可進行產品在重複載荷下的疲勞分析與壽命預測。。
  3. 系統級模擬與 ROM 降階模型應用：結合 Ansys optiSLang 與 Ansys Twin Builder ，我們可以進行參數化實驗設計 (DOE)，也可以創建 ROM 降階模型，並支援將 ROM 匯入或匯出為功能模型單元(FMU) ，用於研究產品在不同使用情境下的壽命與受力。

 

熱交換器冷熱循環疲勞分析結果展示

熱交換器在低溫條件下的等效應力

熱交換器在高溫條件下的等效應力

 

熱交換器冷熱循環疲勞分析的好處

透過 Ansys 多物理場解決方案，工程設計團隊不僅能提升熱交換器的整體效能，還能有效降低成本與設計風險。具體效益包括：

  1. 最佳化熱交換器的幾何形狀，增加散熱效率與結構強度。
  2. 延長熱交換器的疲勞壽命，提高可靠度與維修週期。
  3. 提升約 25% 的均勻性，並略微降低壓降。
  4. 建立 ROM 模型，以研究熱交換器在不同使用情境下的受力與壽命。

 

 

建議使用的工具軟體：Ansys Fluent, Ansys Mechanical, Ansys OptiSLang, Ansys nCode DesignLife, Ansys Twin Builder

 

參考資料：Ansys 原廠

 

想了解更多資訊，或有任何相關需求，歡迎與我們聯繫 !

艾索科技股份有限公司 AISOL Technology

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