تركز هذه الدراسة على خصائص الدوامات وانتقال الحرارة داخل القنوات التي تشكلها حزم الأنابيب ذات الزعانف الحلزونية المسننة، بهدف الكشف عن كيفية تأثير المعلمات الهيكلية المختلفة بشكل تآزري على مقاومة التدفق، وكثافة انتقال الحرارة، وسلوك فقدان الدوامات. الهدف هو توفير أساس نظري لتصميم معدات تبادل الحرارة عالية الكفاءة ومنخفضة المقاومة وطويلة العمر. تستخدم الزعانف الحلزونية المسننة على نطاق واسع في مبادلات الحرارة المبردة بالهواء والمداخن وأنظمة استعادة حرارة النفايات الصناعية نظرًا لنسبة الزعانف العالية والهيكل خفيف الوزن وقمع الاهتزاز.

ومع ذلك، ركزت الدراسات السابقة في الغالب على بيانات انتقال الحرارة الكلية وانخفاض الضغط، مع عدم وجود فهم منهجي للعلاقة بين تطور الدوامات الداخلية وتوزيع الحمل الحراري المحلي. وهذا يجعل من الصعب تحقيق التوازن بين أداء نقل الحرارة العالي والسلامة الهيكلية أثناء التصميم.

لمعالجة هذه المشكلة، تقوم الدراسة الحالية بإنشاء نموذج قناة دورية ثلاثي الأبعاد، واختيار درجة ميل الأنبوب العرضي، ودرجة ميل الأنبوب الطولي، وتباعد الزعانف كمتغيرات رئيسية، وتغطي نطاق رقم رينولدز المستخدم بشكل شائع من 10000 إلى 50000. يتم استخدام نموذج اضطراب SST k-ω، الذي تم التحقق منه عن طريق التجارب، على شبكة منظمة تبلغ 1.2 مليون لإجراء محاكاة دوامة كبيرة غير مستقرة، والتقاط السرعة اللحظية، والدوران، ومجالات درجة الحرارة في وقت واحد.

يتم تحديد الهياكل النموذجية مثل شوارع دوامة كارمان ودوامات حدوة الحصان باستخدام معيار Q، ويستخدم التكامل الزمني المتوسط ​​للمنطقة للحصول على رقم نوسلت، ورقم أويلر، ورقم ستروهال، وتحويل الدوامات "غير المرئية" إلى مؤشرات أداء قابلة للقياس الكمي والمقارنة.

تظهر النتائج أن تقليل درجة ميل الأنبوب العرضي يزيد من سرعة التدفق ويعزز بشكل كبير من تردد فقدان الدوامات، مما يحسن انتقال الحرارة بأكثر من 30٪ ولكنه يضاعف مقاومة التدفق. يسمح زيادة درجة ميل الأنبوب الطولي للدوامات بالتطور الكامل وإعادة الارتباط، مما يعزز انتقال الحرارة بنسبة 50٪ تقريبًا مع زيادة محدودة في المقاومة. يقلل تباعد الزعانف الأكبر من الانسداد، ويزيد من شدة الدوامات، ومع ذلك يقلل من انخفاض الضغط، مما يمثل اتجاهًا مواتياً لـ "الأقل تباعدًا، والأقل مقاومة، والأقل تباعدًا، وأفضل انتقال للحرارة."

تكشف المقارنة الإضافية بين هياكل الدوامات المحلية وتدفق الحرارة السطحية أن مناطق فقدان الدوامات تظهر تدرجات درجة حرارة موحدة وأرقام نوسلت المحلية المرتفعة، في حين أن المناطق التي لا تحتوي على دوامات تظهر "نقاط ساخنة" ذات درجة حرارة عالية، والتي يمكن أن تؤدي إلى تركيز الإجهاد الحراري والتعب المبكر في الزعانف.

توضح هذه النتيجة بشكل مباشر السبب الجذري للشقوق المحلية والتشوه الملحوظ في حزم الأنابيب الميدانية وتوفر معيارًا لتقييم السلامة اللاحق. بناءً على 216 مجموعة من بيانات المحاكاة المتعامدة، تقترح الدراسة علاقات لا بعدية لـ Nu و Eu و St من حيث Re والمعلمات الهندسية الثلاث، مع انحرافات في حدود 10٪، والتي يمكن تضمينها مباشرة في برنامج اختيار الهندسة للتنبؤ السريع بالأداء. الأشكال المحددة هي كما يلي:

لا تؤدي النتائج إلى سد الفجوة في آلية "الدوامة-الحرارة" المقترنة بالزعانف الحلزونية المسننة فحسب، بل توفر أيضًا مسارًا لتحسين متعدد الأهداف لـ "تعزيز انتقال الحرارة وتقليل المقاومة وضمان السلامة" للتطبيقات مثل الجزر المبردة بالهواء في محطات الطاقة الحرارية، ومبردات الهواء البتروكيماوية، وتبريد محولات الجر في القطارات عالية السرعة.

يمكن للمصممين ضبط درجة الميل العرضي للحصول على انتقال حرارة عالي، واستخدام درجة الميل الطولي لقمع ذروة المقاومة، وترتيب تباعد الزعانف بالتناوب للقضاء على ارتفاع درجة الحرارة المحلية، وتحقيق الحد الأدنى من تكاليف دورة الحياة. في ظل خلفية الكربون المزدوجة، تتمتع هذه الدراسة بإمكانات كبيرة لتقليل استهلاك الطاقة في نظام التبريد وتحسين كفاءة استعادة حرارة النفايات الصناعية.

في المستقبل، يمكن توسيعه ليشمل ملفات تعريف الأسنان المختلفة، والزعانف ذات المقاطع المتغيرة، وسوائل العمل المختلطة، وتعزيز تطوير تقنيات الإدارة الحرارية عالية الكفاءة باستمرار.