Deze studie richt zich op de vortex- en warmteoverdrachtskenmerken binnen kanalen gevormd door spiraalvormig gekartelde buizenbundels, met als doel te onthullen hoe verschillende structurele parameters synergetisch de stromingsweerstand, warmteoverdrachtintensiteit en vortexafscheidingsgedrag beïnvloeden. Het doel is om een theoretische basis te bieden voor het ontwerpen van hoogrendement, lage weerstand en lange levensduur warmtewisselaars. Spiraalvormig gekartelde vinnen worden veel gebruikt in luchtgekoelde warmtewisselaars, schoorstenen en industriële afvalwarmteterugwinningssystemen vanwege hun hoge vinverhouding, lichtgewicht structuur en trillingsonderdrukking.

Echter, eerdere studies hebben zich voornamelijk gericht op macroscopische warmteoverdracht- en drukvalgegevens, waarbij een systematisch begrip ontbrak van de relatie tussen interne vortexevolutie en lokale warmtebelastingsverdeling. Dit maakt het moeilijk om hoge warmteoverdrachtprestaties en structurele veiligheid tijdens het ontwerp in evenwicht te brengen.

Om dit aan te pakken, construeert de huidige studie een driedimensionaal periodiek kanaalmodel, waarbij de dwarsbuisafstand, de langsbuisafstand en de vinafstand als belangrijkste variabelen worden geselecteerd, die het veelgebruikte Reynolds-getalbereik van 10.000 tot 50.000 bestrijken. Het SST k-ω turbulentiemodel, gevalideerd door experimenten, wordt gebruikt op een gestructureerd grid van 1,2 miljoen om onstabiele large-eddy simulaties uit te voeren, waarbij tegelijkertijd momentane snelheids-, vorticiteits- en temperatuurvelden worden vastgelegd.

Typische structuren zoals Kármán-vortexstraten en hoefijzervortices worden geïdentificeerd met behulp van het Q-criterium, en tijdintegratie over het oppervlak wordt gebruikt om het Nusselt-getal, het Euler-getal en het Strouhal-getal te verkrijgen, waarbij "onzichtbare" vortices worden getransformeerd in kwantificeerbare en vergelijkbare prestatie-indicatoren.

De resultaten tonen aan dat het verminderen van de dwarsbuisafstand de stroomsnelheid verhoogt en de vortexafscheidingsfrequentie aanzienlijk verbetert, waardoor de warmteoverdracht met meer dan 30% wordt verbeterd, maar de stromingsweerstand verdubbelt. Het vergroten van de langsbuisafstand maakt het mogelijk dat vortices zich volledig ontwikkelen en opnieuw hechten, waardoor de warmteoverdracht met bijna 50% wordt verbeterd met een beperkte toename van de weerstand. Een grotere vinafstand vermindert de blokkade, verhoogt de vortexintensiteit en vermindert toch de drukval, wat een gunstige trend laat zien van "hoe spaarzamer, hoe minder weerstand, hoe spaarzamer, hoe betere warmteoverdracht."

Verdere vergelijking tussen lokale vortexstructuren en warmteflux aan het oppervlak onthult dat vortexafscheidingsgebieden uniforme temperatuurgradiënten en hoge lokale Nusselt-getallen vertonen, terwijl gebieden zonder vortices "hot spots" met hoge temperaturen vertonen, die thermische spanningsconcentratie en vroege vermoeidheid in de vinnen kunnen induceren.

Deze bevinding verklaart direct de hoofdoorzaak van lokale scheuren en vervorming die worden waargenomen in buizenbundels in het veld en biedt een criterium voor de daaropvolgende veiligheidsbeoordeling. Op basis van 216 sets orthogonale simulatiegegevens stelt de studie dimensieloze correlaties voor voor Nu, Eu en St in termen van Re en de drie geometrische parameters, met afwijkingen binnen 10%, die direct kunnen worden ingebed in engineering selectiesoftware voor snelle prestatievoorspelling. De specifieke vormen zijn als volgt:

De resultaten vullen niet alleen de kloof in het "vortex-warmte" koppelingsmechanisme van spiraalvormig gekartelde vinnen, maar bieden ook een multi-objective optimalisatiepad van "het verbeteren van de warmteoverdracht, het verminderen van de weerstand en het waarborgen van de veiligheid" voor toepassingen zoals luchtgekoelde eilanden in thermische centrales, petrochemische luchtkoelers en tractietransformator koeling in hogesnelheidstreinen.

Ontwerpers kunnen de dwarsafstand fijn afstemmen voor hoge warmteoverdracht, de langsafstand gebruiken om weerstandspieken te onderdrukken en afwisselend de vinafstand rangschikken om lokale oververhitting te elimineren, waardoor de minimale levenscycluskosten worden bereikt. Onder de dual-carbon achtergrond heeft dit onderzoek een aanzienlijk potentieel voor het verminderen van het energieverbruik van koelsystemen en het verbeteren van de efficiëntie van industriële afvalwarmteterugwinning.

In de toekomst kan het worden uitgebreid naar verschillende tandprofielen, vinnen met variabele secties en gemengde werkfluïda, waardoor de ontwikkeling van hoogrendement thermische managementtechnologieën continu wordt bevorderd.