이 연구는 나선형 톱니 모양 핀 튜브 번들로 형성된 채널 내의 와류 및 열 전달 특성에 초점을 맞춰, 다양한 구조적 매개변수가 흐름 저항, 열 전달 강도 및 와류 발생 거동에 어떻게 시너지 효과를 내는지 밝히는 것을 목표로 합니다. 목표는 고효율, 저항, 장수명 열교환 장비 설계를 위한 이론적 기반을 제공하는 것입니다. 나선형 톱니 모양 핀은 높은 핀닝 비율, 경량 구조 및 진동 억제 기능으로 인해 공랭식 열교환기, 굴뚝 및 산업 폐열 회수 시스템에 널리 사용됩니다.

그러나 이전 연구는 주로 거시적인 열 전달 및 압력 강하 데이터에 초점을 맞춰, 내부 와류 진화와 국부 열 부하 분포 간의 관계에 대한 체계적인 이해가 부족했습니다. 이로 인해 설계 시 높은 열 전달 성능과 구조적 안전성을 균형 있게 유지하기가 어렵습니다.

이를 해결하기 위해 본 연구에서는 횡 튜브 피치, 종 튜브 피치 및 핀 간격을 주요 변수로 선택하여 10,000에서 50,000까지의 일반적으로 사용되는 레이놀즈 수 범위를 포괄하는 3차원 주기 채널 모델을 구축합니다. 실험으로 검증된 SST k-ω 난류 모델을 120만 개의 구조화된 그리드에 적용하여 비정상 대와류 시뮬레이션을 수행하여 순간 속도, 와도 및 온도장을 동시에 캡처합니다.

Q-기준을 사용하여 Kármán 와류 거리 및 말굽 와류와 같은 전형적인 구조를 식별하고, 면적 평균 시간 적분을 사용하여 누셀트 수, 오일러 수 및 스트로할 수를 얻어 '보이지 않는' 와류를 정량화 가능하고 비교 가능한 성능 지표로 변환합니다.

결과에 따르면 횡 튜브 피치를 줄이면 유속이 증가하고 와류 발생 빈도가 크게 증가하여 열 전달이 30% 이상 향상되지만 흐름 저항은 두 배로 증가합니다. 종 튜브 피치를 늘리면 와류가 완전히 발달하고 다시 부착되어 저항 증가가 제한적인 상태에서 열 전달이 거의 50% 향상됩니다. 핀 간격이 넓을수록 막힘이 줄어들고 와류 강도가 증가하지만 압력 강하는 감소하여 '더 희소할수록 저항이 적고, 더 희소할수록 열 전달이 더 좋다'는 유리한 경향을 보입니다.

국부 와류 구조와 표면 열 플럭스 간의 추가 비교를 통해 와류 발생 영역은 균일한 온도 구배와 높은 국부 누셀트 수를 나타내는 반면, 와류가 없는 영역은 높은 온도 '핫 스팟'을 보여 핀에서 열 응력 집중 및 조기 피로를 유발할 수 있음을 알 수 있습니다.

이 발견은 현장 튜브 번들에서 관찰된 국부 균열 및 변형의 근본 원인을 직접 설명하고 후속 안전성 평가를 위한 기준을 제공합니다. 216개의 직교 시뮬레이션 데이터를 기반으로, 이 연구는 Re 및 세 가지 기하학적 매개변수에 대한 Nu, Eu 및 St에 대한 무차원 상관 관계를 제안하며, 편차는 10% 이내로, 엔지니어링 선택 소프트웨어에 직접 포함되어 빠른 성능 예측을 수행할 수 있습니다. 구체적인 형태는 다음과 같습니다.

결과는 나선형 톱니 모양 핀의 '와류-열' 결합 메커니즘의 격차를 메울 뿐만 아니라, 화력 발전소의 공랭식 섬, 석유 화학 공기 냉각기, 고속 열차의 견인 변압기 냉각과 같은 응용 분야에 대해 '열 전달 향상, 저항 감소 및 안전 보장'의 다중 목표 최적화 경로를 제공합니다.

설계자는 높은 열 전달을 위해 횡 피치를 미세 조정하고, 종 피치를 사용하여 저항 피크를 억제하며, 핀 간격을 번갈아 배열하여 국부 과열을 제거하여 최소한의 수명 주기 비용을 달성할 수 있습니다. 이중 탄소 배경에서 이 연구는 냉각 시스템 에너지 소비를 줄이고 산업 폐열 회수 효율을 향상시킬 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.

향후에는 다양한 치형, 가변 단면 핀 및 혼합 작동 유체로 확장하여 고효율 열 관리 기술의 개발을 지속적으로 촉진할 수 있습니다.