این مطالعه بر ویژگی‌های گرداب و انتقال حرارت در کانال‌های تشکیل‌شده توسط دسته‌های لوله‌های باله‌دار مارپیچی متمرکز است و هدف آن آشکار کردن چگونگی تأثیر هم‌افزایی پارامترهای ساختاری مختلف بر مقاومت جریان، شدت انتقال حرارت و رفتار ریزش گرداب است. هدف، ارائه یک مبنای نظری برای طراحی تجهیزات تبادل حرارت با راندمان بالا، مقاومت کم و عمر طولانی است. باله‌های مارپیچی دندانه‌دار به دلیل نسبت باله‌دهی بالا، ساختار سبک وزن و سرکوب ارتعاش، به طور گسترده در مبدل‌های حرارتی خنک‌شونده با هوا، دودکش‌ها و سیستم‌های بازیابی حرارت اتلافی صنعتی استفاده می‌شوند.

با این حال، مطالعات قبلی بیشتر بر داده‌های ماکروسکوپی انتقال حرارت و افت فشار متمرکز بوده‌اند و فاقد درک سیستماتیک از رابطه بین تکامل گرداب داخلی و توزیع بار حرارتی موضعی هستند. این امر، ایجاد تعادل بین عملکرد انتقال حرارت بالا و ایمنی ساختاری را در طول طراحی دشوار می‌کند.

برای رفع این مشکل، مطالعه حاضر یک مدل کانال دوره‌ای سه‌بعدی را ایجاد می‌کند و گام لوله عرضی، گام لوله طولی و فاصله باله را به عنوان متغیرهای کلیدی انتخاب می‌کند که محدوده عدد رینولدز معمولاً استفاده شده از 10000 تا 50000 را پوشش می‌دهد. مدل آشفتگی SST k-ω که توسط آزمایش‌ها تأیید شده است، بر روی یک شبکه ساختاری 1.2 میلیون برای انجام شبیه‌سازی‌های بزرگ‌مقیاس ناپایدار استفاده می‌شود و همزمان سرعت آنی، چرخش و میدان‌های دما را ثبت می‌کند.

ساختارهای معمولی مانند خیابان‌های گرداب کارمن و گرداب‌های نعل اسبی با استفاده از معیار Q شناسایی می‌شوند و از انتگرال‌گیری زمانی میانگین مساحت برای به دست آوردن عدد ناسلت، عدد اویلر و عدد استروهال استفاده می‌شود و گرداب‌های «نامرئی» را به شاخص‌های عملکردی قابل اندازه‌گیری و مقایسه تبدیل می‌کند.

نتایج نشان می‌دهد که کاهش گام لوله عرضی، سرعت جریان را افزایش می‌دهد و به طور قابل توجهی فرکانس ریزش گرداب را افزایش می‌دهد، انتقال حرارت را بیش از 30٪ بهبود می‌بخشد اما مقاومت جریان را دو برابر می‌کند. افزایش گام لوله طولی به گرداب‌ها اجازه می‌دهد تا به طور کامل توسعه یافته و دوباره متصل شوند، انتقال حرارت را تقریباً 50٪ با افزایش محدود در مقاومت افزایش می‌دهد. فاصله باله بزرگتر، انسداد را کاهش می‌دهد، شدت گرداب را افزایش می‌دهد و با این حال افت فشار را کاهش می‌دهد و روند مطلوبی از «هرچه پراکنده‌تر، مقاومت کمتر، هرچه پراکنده‌تر، انتقال حرارت بهتر» را نشان می‌دهد.

مقایسه بیشتر بین ساختارهای گرداب محلی و شار حرارتی سطح نشان می‌دهد که مناطق ریزش گرداب، گرادیان‌های دمایی یکنواخت و اعداد ناسلت محلی بالایی را نشان می‌دهند، در حالی که مناطق بدون گرداب، «نقاط داغ» با دمای بالا را نشان می‌دهند که می‌تواند باعث تمرکز تنش حرارتی و خستگی زودرس در باله‌ها شود.

این یافته مستقیماً علت اصلی ترک‌ها و تغییر شکل‌های محلی مشاهده شده در دسته‌های لوله میدانی را توضیح می‌دهد و معیاری را برای ارزیابی ایمنی بعدی ارائه می‌دهد. بر اساس 216 مجموعه داده شبیه‌سازی متعامد، این مطالعه همبستگی‌های بدون بعد را برای Nu، Eu و St از نظر Re و سه پارامتر هندسی پیشنهاد می‌کند که انحرافات آن در 10٪ است و می‌تواند مستقیماً در نرم‌افزار انتخاب مهندسی برای پیش‌بینی سریع عملکرد تعبیه شود. فرم‌های خاص به شرح زیر است:

نتایج نه تنها شکاف در مکانیسم جفت‌شدگی «گرداب-حرارت» باله‌های مارپیچی دندانه‌دار را پر می‌کند، بلکه یک مسیر بهینه‌سازی چند‌هدفه از «افزایش انتقال حرارت، کاهش مقاومت و اطمینان از ایمنی» را برای کاربردهایی مانند جزایر خنک‌شونده با هوا در نیروگاه‌های حرارتی، خنک‌کننده‌های هوای پتروشیمی و خنک‌کننده ترانسفورماتور کششی در قطارهای پرسرعت ارائه می‌دهد.

طراحان می‌توانند گام عرضی را برای انتقال حرارت بالا تنظیم کنند، از گام طولی برای سرکوب اوج‌های مقاومت استفاده کنند و به طور متناوب فاصله باله را برای از بین بردن گرمای بیش از حد موضعی تنظیم کنند و به حداقل رساندن هزینه‌های چرخه عمر دست یابند. در پس‌زمینه دو کربنی، این تحقیق پتانسیل قابل توجهی برای کاهش مصرف انرژی سیستم خنک‌کننده و بهبود راندمان بازیابی حرارت اتلافی صنعتی دارد.

در آینده، می‌توان آن را به پروفیل‌های دندانه مختلف، باله‌های با مقطع متغیر و سیالات کاری مخلوط گسترش داد و به طور مداوم توسعه فناوری‌های مدیریت حرارتی با راندمان بالا را ارتقا داد.