La présente étude porte sur les caractéristiques de vortex et de transfert de chaleur au sein des canaux formés par des faisceaux de tubes à nageoires serrées hélicoïdalement,visant à révéler comment différents paramètres structurels influencent synergiquement la résistance de débitL'objectif est de fournir une base théorique pour concevoir des équipements d'échange thermique à haut rendement, à faible résistance et à longue durée de vie.Les ailerons serrés à hélice sont largement utilisés dans les échangeurs de chaleur refroidis à l'air, des cheminées et des systèmes de récupération de chaleur des déchets industriels en raison de leur rapport de nageoires élevé, de leur structure légère et de leur suppression des vibrations.

Cependant, des études antérieures se sont principalement concentrées sur les données macroscopiques de transfert de chaleur et de chute de pression,manquant d'une compréhension systématique de la relation entre l'évolution du vortex interne et la répartition locale de la charge thermiqueCela rend difficile l'équilibre entre les performances élevées de transfert de chaleur et la sécurité structurelle lors de la conception.

Pour y remédier, la présente étude construit un modèle de canal périodique en trois dimensions, en sélectionnant la hauteur transversale du tube, la hauteur longitudinale du tube et l'espacement des nageoires comme variables clés,couvrant la plage de nombres de Reynolds couramment utilisée de 10, 000 à 50,000Le modèle de turbulence SST k-ω, validé par des expériences, est utilisé sur une grille structurée de 1,2 million de personnes pour effectuer des simulations de grands tourbillons instables, capturant simultanément la vitesse instantanée,le tourbillon, et champs de température.

Les structures typiques telles que les rues de vortex de Kármán et les vortex de fer à cheval sont identifiées à l'aide du critère Q, et l'intégration en temps moyenne de la zone est utilisée pour obtenir le nombre de Nusselt, le nombre d'Euler,et le nombre de Strouhal, transformant les tourbillons "invisibles" en indicateurs de performance quantifiables et comparables.

Les résultats montrent que la réduction de la hauteur transversale du tube augmente la vitesse de débit et augmente considérablement la fréquence de déversement des vortex,amélioration du transfert de chaleur de plus de 30% mais doublement de la résistance de débitL'augmentation de l'envergure longitudinale du tube permet aux vortex de se développer et de se réattacher complètement, augmentant le transfert de chaleur de près de 50% avec une augmentation limitée de la résistance.augmente l' intensité du vortex, et pourtant diminue la chute de pression, présentant une tendance favorable de "plus la résistance est faible, moins la résistance est élevée, meilleur le transfert de chaleur".

Une comparaison plus approfondie entre les structures de vortex locaux et le flux de chaleur de surface révèle que les régions de déversement de vortex présentent des gradients de température uniformes et des nombres de Nusselt locaux élevés,considérant que les régions sans tourbillons présentent des "points chauds" à haute température;, " qui peut induire une concentration de stress thermique et une fatigue précoce des nageoires.

Cette découverte explique directement la cause profonde des fissures et déformations locales observées dans les faisceaux de tubes de champ et fournit un critère pour une évaluation ultérieure de la sécurité.Sur la base de 216 ensembles de données de simulation orthogonale, l'étude propose des corrélations sans dimension pour Nu, Eu et St en termes de Re et des trois paramètres géométriques, avec des écarts inférieurs à 10%,qui peut être directement intégré dans un logiciel de sélection technique pour une prédiction rapide des performancesLes formulaires spécifiques sont les suivants:

Les résultats remplissent non seulement la lacune dans le mécanisme d'accouplement "vortex-chaleur" des nageoires serrées hélicoïdales, mais fournissent également une voie d'optimisation multiobjectif de "amélioration du transfert de chaleur,réduire la résistance, et assurer la sécurité" pour des applications telles que les îles refroidies par air dans les centrales thermiques, les refroidisseurs d'air pétrochimiques et le refroidissement par transformateur de traction dans les trains à grande vitesse.

Les concepteurs peuvent affiner la hauteur transversale pour un transfert de chaleur élevé, utiliser la hauteur longitudinale pour supprimer les pics de résistance et régler alternativement l'espacement des nageoires pour éliminer la surchauffe locale,réalisation de coûts minimaux du cycle de vieDans le contexte du double carbone, cette recherche présente un potentiel important de réduction de la consommation d'énergie des systèmes de refroidissement et d'amélioration de l'efficacité de la récupération de la chaleur des déchets industriels.

Dans l'avenir, il pourra être étendu à différents profils dentaires, nageoires à section variable et fluides de travail mixtes,la promotion continue du développement de technologies de gestion thermique à haut rendement.