Αυτή η μελέτη επικεντρώνεται στα χαρακτηριστικά των στροβίλων και της μεταφοράς θερμότητας εντός καναλιών που σχηματίζονται από δέσμες σωλήνων με ελικοειδή πτερύγια, με στόχο να αποκαλύψει πώς διαφορετικές δομικές παράμετροι επηρεάζουν συνεργιστικά την αντίσταση στη ροή, την ένταση της μεταφοράς θερμότητας και τη συμπεριφορά αποβολής στροβίλων. Ο στόχος είναι να παρέχει μια θεωρητική βάση για το σχεδιασμό εξοπλισμού ανταλλαγής θερμότητας υψηλής απόδοσης, χαμηλής αντίστασης και μεγάλης διάρκειας ζωής. Τα ελικοειδή πτερύγια χρησιμοποιούνται ευρέως σε εναλλάκτες θερμότητας με αέρα, καπνοδόχους και συστήματα ανάκτησης βιομηχανικής θερμότητας απόβλητων λόγω του υψηλού λόγου πτερυγίων, της ελαφριάς δομής και της καταστολής των κραδασμών.

Ωστόσο, προηγούμενες μελέτες έχουν επικεντρωθεί κυρίως σε μακροσκοπικά δεδομένα μεταφοράς θερμότητας και πτώσης πίεσης, χωρίς συστηματική κατανόηση της σχέσης μεταξύ της εσωτερικής εξέλιξης των στροβίλων και της κατανομής τοπικού θερμικού φορτίου. Αυτό καθιστά δύσκολη την εξισορρόπηση της υψηλής απόδοσης μεταφοράς θερμότητας και της δομικής ασφάλειας κατά το σχεδιασμό.

Για να αντιμετωπιστεί αυτό, η παρούσα μελέτη κατασκευάζει ένα τρισδιάστατο περιοδικό μοντέλο καναλιού, επιλέγοντας το εγκάρσιο βήμα σωλήνα, το διαμήκες βήμα σωλήνα και την απόσταση πτερυγίων ως βασικές μεταβλητές, καλύπτοντας το εύρος αριθμού Reynolds που χρησιμοποιείται συνήθως από 10.000 έως 50.000. Το μοντέλο στροβιλισμού SST k-ω, επικυρωμένο από πειράματα, χρησιμοποιείται σε ένα δομημένο πλέγμα 1,2 εκατομμυρίων για την εκτέλεση μη σταθερών προσομοιώσεων μεγάλων στροβίλων, καταγράφοντας ταυτόχρονα στιγμιαία πεδία ταχύτητας, στροβιλισμού και θερμοκρασίας.

Τυπικές δομές όπως οι δρόμοι στροβίλων Kármán και οι στροβίλοι πέταλου προσδιορίζονται χρησιμοποιώντας το κριτήριο Q και η χρονική ολοκλήρωση κατά μέσο όρο της περιοχής χρησιμοποιείται για την απόκτηση του αριθμού Nusselt, του αριθμού Euler και του αριθμού Strouhal, μετατρέποντας τους «αόρατους» στροβίλους σε ποσοτικοποιήσιμους και συγκρίσιμους δείκτες απόδοσης.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η μείωση του εγκάρσιου βήματος σωλήνα αυξάνει την ταχύτητα ροής και ενισχύει σημαντικά τη συχνότητα αποβολής στροβίλων, βελτιώνοντας τη μεταφορά θερμότητας κατά περισσότερο από 30% αλλά διπλασιάζοντας την αντίσταση ροής. Η αύξηση του διαμήκους βήματος σωλήνα επιτρέπει στους στροβίλους να αναπτυχθούν πλήρως και να επανασυνδεθούν, ενισχύοντας τη μεταφορά θερμότητας κατά σχεδόν 50% με περιορισμένη αύξηση της αντίστασης. Η μεγαλύτερη απόσταση πτερυγίων μειώνει το μπλοκάρισμα, αυξάνει την ένταση των στροβίλων και ωστόσο μειώνει την πτώση πίεσης, παρουσιάζοντας μια ευνοϊκή τάση «όσο πιο αραιά, τόσο λιγότερη αντίσταση, όσο πιο αραιά, τόσο καλύτερη μεταφορά θερμότητας».

Περαιτέρω σύγκριση μεταξύ των τοπικών δομών στροβίλων και της επιφανειακής ροής θερμότητας αποκαλύπτει ότι οι περιοχές αποβολής στροβίλων παρουσιάζουν ομοιόμορφες θερμοκρασιακές κλίσεις και υψηλούς τοπικούς αριθμούς Nusselt, ενώ οι περιοχές χωρίς στροβίλους παρουσιάζουν «θερμά σημεία» υψηλής θερμοκρασίας, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν συγκέντρωση θερμικής τάσης και πρόωρη κόπωση στα πτερύγια.

Αυτό το εύρημα εξηγεί άμεσα την υποκείμενη αιτία των τοπικών ρωγμών και της παραμόρφωσης που παρατηρούνται σε δέσμες σωλήνων πεδίου και παρέχει ένα κριτήριο για την επακόλουθη αξιολόγηση της ασφάλειας. Με βάση 216 σύνολα ορθογώνιων δεδομένων προσομοίωσης, η μελέτη προτείνει αδιάστατες συσχετίσεις για Nu, Eu και St όσον αφορά το Re και τις τρεις γεωμετρικές παραμέτρους, με αποκλίσεις εντός 10%, οι οποίες μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε λογισμικό επιλογής μηχανικής για γρήγορη πρόβλεψη απόδοσης. Οι συγκεκριμένες μορφές έχουν ως εξής:

Τα αποτελέσματα όχι μόνο καλύπτουν το κενό στον μηχανισμό σύζευξης «στροβίλου-θερμότητας» των ελικοειδών πτερυγίων, αλλά παρέχουν επίσης μια πολυ-στόχευση βελτιστοποίησης «ενίσχυσης της μεταφοράς θερμότητας, μείωσης της αντίστασης και διασφάλισης της ασφάλειας» για εφαρμογές όπως τα νησιά με αέρα σε θερμικούς σταθμούς, οι ψύκτες αέρα πετροχημικών και η ψύξη μετασχηματιστών έλξης σε τρένα υψηλής ταχύτητας.

Οι σχεδιαστές μπορούν να ρυθμίσουν με ακρίβεια το εγκάρσιο βήμα για υψηλή μεταφορά θερμότητας, να χρησιμοποιήσουν το διαμήκες βήμα για την καταστολή των κορυφών αντίστασης και να διατάξουν εναλλάξ την απόσταση πτερυγίων για την εξάλειψη της τοπικής υπερθέρμανσης, επιτυγχάνοντας ελάχιστο κόστος κύκλου ζωής. Υπό το διπλό ανθρακικό υπόβαθρο, αυτή η έρευνα έχει σημαντικές δυνατότητες για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας του συστήματος ψύξης και τη βελτίωση της απόδοσης ανάκτησης βιομηχανικής θερμότητας απόβλητων.

Στο μέλλον, μπορεί να επεκταθεί σε διαφορετικά προφίλ δοντιών, πτερύγια μεταβλητής διατομής και μικτά ρευστά εργασίας, προωθώντας συνεχώς την ανάπτυξη τεχνολογιών θερμικής διαχείρισης υψηλής απόδοσης.