Studi ini berfokus pada karakteristik pusaran dan perpindahan panas dalam saluran yang dibentuk oleh bundel tabung bersirip bergerigi heliks, yang bertujuan untuk mengungkapkan bagaimana parameter struktural yang berbeda secara sinergis memengaruhi resistensi aliran, intensitas perpindahan panas, dan perilaku pelepasan pusaran. Tujuannya adalah untuk memberikan dasar teoretis untuk merancang peralatan penukar panas dengan efisiensi tinggi, resistensi rendah, dan umur panjang. Sirip bergerigi heliks banyak digunakan dalam penukar panas berpendingin udara, cerobong asap, dan sistem pemulihan panas limbah industri karena rasio siripnya yang tinggi, struktur yang ringan, dan penekanan getaran.

Namun, penelitian sebelumnya sebagian besar berfokus pada data perpindahan panas makroskopis dan penurunan tekanan, yang kurang memiliki pemahaman sistematis tentang hubungan antara evolusi pusaran internal dan distribusi beban panas lokal. Hal ini menyulitkan untuk menyeimbangkan kinerja perpindahan panas yang tinggi dan keselamatan struktural selama perancangan.

Untuk mengatasi hal ini, studi saat ini membangun model saluran periodik tiga dimensi, memilih jarak tabung melintang, jarak tabung memanjang, dan jarak sirip sebagai variabel kunci, yang mencakup rentang bilangan Reynolds yang umum digunakan dari 10.000 hingga 50.000. Model turbulensi SST k-ω, yang divalidasi oleh eksperimen, digunakan pada grid terstruktur 1,2 juta untuk melakukan simulasi eddy-besar tak-tunak, secara bersamaan menangkap medan kecepatan, vortisitas, dan temperatur sesaat.

Struktur tipikal seperti jalan pusaran Kármán dan pusaran tapal kuda diidentifikasi menggunakan kriteria-Q, dan integrasi waktu rata-rata area digunakan untuk mendapatkan bilangan Nusselt, bilangan Euler, dan bilangan Strouhal, mengubah pusaran "tak terlihat" menjadi indikator kinerja yang dapat dikuantifikasi dan dibandingkan.

Hasilnya menunjukkan bahwa mengurangi jarak tabung melintang meningkatkan kecepatan aliran dan secara signifikan meningkatkan frekuensi pelepasan pusaran, meningkatkan perpindahan panas lebih dari 30% tetapi menggandakan resistensi aliran. Meningkatkan jarak tabung memanjang memungkinkan pusaran berkembang sepenuhnya dan menempel kembali, meningkatkan perpindahan panas hingga hampir 50% dengan peningkatan resistensi yang terbatas. Jarak sirip yang lebih besar mengurangi penyumbatan, meningkatkan intensitas pusaran, namun menurunkan penurunan tekanan, yang menunjukkan tren yang menguntungkan dari "semakin jarang, semakin sedikit resistensi, semakin jarang, semakin baik perpindahan panas."

Perbandingan lebih lanjut antara struktur pusaran lokal dan fluks panas permukaan mengungkapkan bahwa wilayah pelepasan pusaran menunjukkan gradien temperatur yang seragam dan bilangan Nusselt lokal yang tinggi, sedangkan wilayah tanpa pusaran menunjukkan "titik panas" bersuhu tinggi, yang dapat menginduksi konsentrasi tegangan termal dan kelelahan dini pada sirip.

Temuan ini secara langsung menjelaskan akar penyebab retakan dan deformasi lokal yang diamati pada bundel tabung di lapangan dan memberikan kriteria untuk penilaian keselamatan selanjutnya. Berdasarkan 216 set data simulasi ortogonal, studi ini mengusulkan korelasi tak berdimensi untuk Nu, Eu, dan St dalam hal Re dan tiga parameter geometris, dengan penyimpangan dalam 10%, yang dapat langsung disematkan dalam perangkat lunak seleksi teknik untuk prediksi kinerja yang cepat. Bentuk spesifiknya adalah sebagai berikut:

Hasilnya tidak hanya mengisi kesenjangan dalam mekanisme kopling "pusaran-panas" dari sirip bergerigi heliks tetapi juga memberikan jalur optimasi multi-objektif dari "meningkatkan perpindahan panas, mengurangi resistensi, dan memastikan keselamatan" untuk aplikasi seperti pulau berpendingin udara di pembangkit listrik termal, pendingin udara petrokimia, dan pendinginan transformator traksi di kereta berkecepatan tinggi.

Perancang dapat menyempurnakan jarak melintang untuk perpindahan panas yang tinggi, menggunakan jarak memanjang untuk menekan puncak resistensi, dan secara bergantian mengatur jarak sirip untuk menghilangkan panas berlebih lokal, mencapai biaya siklus hidup minimum. Di bawah latar belakang ganda-karbon, penelitian ini memiliki potensi signifikan untuk mengurangi konsumsi energi sistem pendingin dan meningkatkan efisiensi pemulihan panas limbah industri.

Di masa depan, hal ini dapat diperluas ke profil gigi yang berbeda, sirip bagian variabel, dan fluida kerja campuran, terus mempromosikan pengembangan teknologi manajemen termal dengan efisiensi tinggi.