Este estudio se centra en las características del vórtice y la transferencia de calor dentro de los canales formados por haces de tubos con aletas helicoidales dentadas, con el objetivo de revelar cómo los diferentes parámetros estructurales influyen sinérgicamente en la resistencia al flujo, la intensidad de la transferencia de calor y el comportamiento de desprendimiento de vórtices. El objetivo es proporcionar una base teórica para el diseño de equipos de intercambio de calor de alta eficiencia, baja resistencia y larga vida útil. Las aletas helicoidales dentadas se utilizan ampliamente en intercambiadores de calor refrigerados por aire, chimeneas y sistemas de recuperación de calor residual industrial debido a su alta relación de aleteo, estructura ligera y supresión de vibraciones.

Sin embargo, los estudios anteriores se han centrado principalmente en los datos macroscópicos de transferencia de calor y caída de presión, careciendo de una comprensión sistemática de la relación entre la evolución interna de los vórtices y la distribución local de la carga de calor. Esto dificulta el equilibrio entre el alto rendimiento de transferencia de calor y la seguridad estructural durante el diseño.

Para abordar esto, el presente estudio construye un modelo de canal periódico tridimensional, seleccionando el paso transversal del tubo, el paso longitudinal del tubo y el espaciamiento de las aletas como variables clave, cubriendo el rango de número de Reynolds comúnmente utilizado de 10,000 a 50,000. El modelo de turbulencia SST k-ω, validado por experimentos, se emplea en una malla estructurada de 1,2 millones para realizar simulaciones de grandes remolinos inestables, capturando simultáneamente los campos instantáneos de velocidad, vorticidad y temperatura.

Las estructuras típicas, como las calles de vórtices de Kármán y los vórtices en herradura, se identifican utilizando el criterio Q, y se utiliza la integración temporal promediada por área para obtener el número de Nusselt, el número de Euler y el número de Strouhal, transformando los vórtices "invisibles" en indicadores de rendimiento cuantificables y comparables.

Los resultados muestran que la reducción del paso transversal del tubo aumenta la velocidad del flujo y mejora significativamente la frecuencia de desprendimiento de vórtices, mejorando la transferencia de calor en más del 30% pero duplicando la resistencia al flujo. El aumento del paso longitudinal del tubo permite que los vórtices se desarrollen completamente y se vuelvan a unir, mejorando la transferencia de calor en casi un 50% con un aumento limitado de la resistencia. Un mayor espaciamiento de las aletas reduce el bloqueo, aumenta la intensidad del vórtice y, sin embargo, disminuye la caída de presión, presentando una tendencia favorable de "cuanto más disperso, menos resistencia, cuanto más disperso, mejor transferencia de calor".

Una comparación adicional entre las estructuras locales de los vórtices y el flujo de calor superficial revela que las regiones de desprendimiento de vórtices exhiben gradientes de temperatura uniformes y altos números de Nusselt locales, mientras que las regiones sin vórtices muestran "puntos calientes" de alta temperatura, que pueden inducir concentración de tensión térmica y fatiga temprana en las aletas.

Este hallazgo explica directamente la causa raíz de las grietas locales y la deformación observadas en los haces de tubos de campo y proporciona un criterio para la evaluación de seguridad posterior. Basado en 216 conjuntos de datos de simulación ortogonal, el estudio propone correlaciones adimensionales para Nu, Eu y St en términos de Re y los tres parámetros geométricos, con desviaciones dentro del 10%, que se pueden incrustar directamente en el software de selección de ingeniería para la predicción rápida del rendimiento. Las formas específicas son las siguientes:

Los resultados no solo llenan el vacío en el mecanismo de acoplamiento "vórtice-calor" de las aletas helicoidales dentadas, sino que también proporcionan una ruta de optimización multiobjetivo de "mejora de la transferencia de calor, reducción de la resistencia y garantía de la seguridad" para aplicaciones como islas refrigeradas por aire en plantas de energía térmica, enfriadores de aire petroquímicos y refrigeración de transformadores de tracción en trenes de alta velocidad.

Los diseñadores pueden ajustar el paso transversal para una alta transferencia de calor, utilizar el paso longitudinal para suprimir los picos de resistencia y organizar alternativamente el espaciamiento de las aletas para eliminar el sobrecalentamiento local, logrando los costos mínimos del ciclo de vida. Bajo el contexto de doble carbono, esta investigación tiene un potencial significativo para reducir el consumo de energía del sistema de refrigeración y mejorar la eficiencia de la recuperación de calor residual industrial.

En el futuro, se puede extender a diferentes perfiles de dientes, aletas de sección variable y fluidos de trabajo mixtos, promoviendo continuamente el desarrollo de tecnologías de gestión térmica de alta eficiencia.