Questo studio si concentra sulle caratteristiche dei vortici e del trasferimento di calore all'interno dei canali formati da fasci tubieri alettati elicoidalmente, con l'obiettivo di rivelare come diversi parametri strutturali influenzino sinergicamente la resistenza al flusso, l'intensità del trasferimento di calore e il comportamento di distacco dei vortici. L'obiettivo è fornire una base teorica per la progettazione di apparecchiature di scambio termico ad alta efficienza, a bassa resistenza e di lunga durata. Le alette elicoidali sono ampiamente utilizzate negli scambiatori di calore raffreddati ad aria, nei camini e nei sistemi di recupero del calore di scarto industriale grazie al loro elevato rapporto di alettatura, alla struttura leggera e alla soppressione delle vibrazioni.

Tuttavia, gli studi precedenti si sono concentrati principalmente sui dati macroscopici di trasferimento di calore e caduta di pressione, mancando una comprensione sistematica della relazione tra l'evoluzione dei vortici interni e la distribuzione locale del carico termico. Ciò rende difficile bilanciare le alte prestazioni di trasferimento di calore e la sicurezza strutturale durante la progettazione.

Per affrontare questo problema, il presente studio costruisce un modello di canale periodico tridimensionale, selezionando il passo trasversale dei tubi, il passo longitudinale dei tubi e la spaziatura delle alette come variabili chiave, coprendo l'intervallo di numeri di Reynolds comunemente utilizzato da 10.000 a 50.000. Il modello di turbolenza SST k-ω, convalidato da esperimenti, viene impiegato su una griglia strutturata da 1,2 milioni per eseguire simulazioni instabili a grandi vortici, catturando simultaneamente i campi istantanei di velocità, vorticità e temperatura.

Strutture tipiche come le scie di vortici di Kármán e i vortici a ferro di cavallo vengono identificate utilizzando il criterio Q, e l'integrazione temporale mediata sull'area viene utilizzata per ottenere il numero di Nusselt, il numero di Eulero e il numero di Strouhal, trasformando i vortici "invisibili" in indicatori di prestazione quantificabili e comparabili.

I risultati mostrano che la riduzione del passo trasversale dei tubi aumenta la velocità del flusso e aumenta significativamente la frequenza di distacco dei vortici, migliorando il trasferimento di calore di oltre il 30% ma raddoppiando la resistenza al flusso. L'aumento del passo longitudinale dei tubi consente ai vortici di svilupparsi completamente e riattaccarsi, migliorando il trasferimento di calore di quasi il 50% con un aumento limitato della resistenza. Una maggiore spaziatura delle alette riduce il blocco, aumenta l'intensità dei vortici e tuttavia diminuisce la caduta di pressione, presentando una tendenza favorevole di "più radi, meno resistenza, più radi, migliore trasferimento di calore."

Un'ulteriore confronto tra le strutture dei vortici locali e il flusso di calore superficiale rivela che le regioni di distacco dei vortici mostrano gradienti di temperatura uniformi e alti numeri di Nusselt locali, mentre le regioni senza vortici mostrano "punti caldi" ad alta temperatura, che possono indurre concentrazione di stress termico e affaticamento precoce nelle alette.

Questo risultato spiega direttamente la causa principale delle crepe locali e delle deformazioni osservate nei fasci tubieri sul campo e fornisce un criterio per la successiva valutazione della sicurezza. Sulla base di 216 serie di dati di simulazione ortogonali, lo studio propone correlazioni adimensionali per Nu, Eu e St in termini di Re e dei tre parametri geometrici, con deviazioni entro il 10%, che possono essere direttamente incorporate nel software di selezione ingegneristica per la rapida previsione delle prestazioni. Le forme specifiche sono le seguenti:

I risultati non solo colmano il divario nel meccanismo di accoppiamento "vortice-calore" delle alette elicoidali, ma forniscono anche un percorso di ottimizzazione multi-obiettivo di "migliorare il trasferimento di calore, ridurre la resistenza e garantire la sicurezza" per applicazioni come le isole raffreddate ad aria nelle centrali termiche, i refrigeratori d'aria petrolchimici e il raffreddamento dei trasformatori di trazione nei treni ad alta velocità.

I progettisti possono mettere a punto il passo trasversale per un elevato trasferimento di calore, utilizzare il passo longitudinale per sopprimere i picchi di resistenza e disporre alternativamente la spaziatura delle alette per eliminare il surriscaldamento locale, ottenendo i costi del ciclo di vita minimi. Nel contesto del doppio carbonio, questa ricerca ha un potenziale significativo per ridurre il consumo di energia del sistema di raffreddamento e migliorare l'efficienza del recupero del calore di scarto industriale.

In futuro, può essere esteso a diversi profili dei denti, alette a sezione variabile e fluidi di lavoro misti, promuovendo continuamente lo sviluppo di tecnologie di gestione termica ad alta efficienza.