Nghiên cứu này tập trung vào các đặc tính về xoáy và truyền nhiệt trong các kênh được tạo thành từ các bó ống có cánh răng cưa xoắn ốc, nhằm tiết lộ cách các thông số cấu trúc khác nhau tương tác hiệp đồng ảnh hưởng đến lực cản dòng chảy, cường độ truyền nhiệt và hành vi rụng xoáy. Mục tiêu là cung cấp cơ sở lý thuyết để thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt hiệu quả cao, ít cản trở và tuổi thọ cao. Các cánh răng cưa xoắn ốc được sử dụng rộng rãi trong các bộ trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí, ống khói và hệ thống thu hồi nhiệt thải công nghiệp do tỷ lệ tạo cánh cao, cấu trúc nhẹ và khả năng triệt tiêu rung.

Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào dữ liệu truyền nhiệt vĩ mô và sụt áp, thiếu sự hiểu biết có hệ thống về mối quan hệ giữa sự tiến hóa của xoáy bên trong và sự phân bố tải nhiệt cục bộ. Điều này gây khó khăn trong việc cân bằng hiệu suất truyền nhiệt cao và an toàn cấu trúc trong quá trình thiết kế.

Để giải quyết vấn đề này, nghiên cứu hiện tại xây dựng một mô hình kênh tuần hoàn ba chiều, chọn bước ống ngang, bước ống dọc và khoảng cách cánh làm các biến số chính, bao gồm phạm vi số Reynolds thường được sử dụng từ 10.000 đến 50.000. Mô hình nhiễu động SST k-ω, được xác nhận bằng các thí nghiệm, được sử dụng trên lưới cấu trúc 1,2 triệu để thực hiện các mô phỏng dòng chảy lớn không ổn định, đồng thời ghi lại các trường vận tốc, độ xoáy và nhiệt độ tức thời.

Các cấu trúc điển hình như các đường phố xoáy Kármán và các xoáy móng ngựa được xác định bằng tiêu chí Q, và tích phân thời gian trung bình theo diện tích được sử dụng để thu được số Nusselt, số Euler và số Strouhal, biến đổi các xoáy "vô hình" thành các chỉ số hiệu suất có thể định lượng và so sánh được.

Kết quả cho thấy việc giảm bước ống ngang làm tăng vận tốc dòng chảy và tăng đáng kể tần số rụng xoáy, cải thiện truyền nhiệt hơn 30% nhưng làm tăng gấp đôi lực cản dòng chảy. Việc tăng bước ống dọc cho phép các xoáy phát triển đầy đủ và gắn lại, tăng cường truyền nhiệt gần 50% với mức tăng lực cản hạn chế. Khoảng cách cánh lớn hơn làm giảm sự tắc nghẽn, tăng cường độ xoáy và đồng thời làm giảm sụt áp, thể hiện xu hướng thuận lợi của "càng thưa, càng ít cản trở, càng thưa, truyền nhiệt càng tốt."

So sánh thêm giữa các cấu trúc xoáy cục bộ và thông lượng nhiệt bề mặt cho thấy các vùng rụng xoáy thể hiện các gradient nhiệt độ đồng đều và số Nusselt cục bộ cao, trong khi các vùng không có xoáy cho thấy các "điểm nóng" nhiệt độ cao, có thể gây ra sự tập trung ứng suất nhiệt và mỏi sớm trong các cánh.

Phát hiện này giải thích trực tiếp nguyên nhân gốc rễ của các vết nứt và biến dạng cục bộ được quan sát thấy trong các bó ống thực địa và cung cấp một tiêu chí để đánh giá an toàn sau này. Dựa trên 216 bộ dữ liệu mô phỏng trực giao, nghiên cứu đề xuất các tương quan không thứ nguyên cho Nu, Eu và St theo Re và ba thông số hình học, với độ lệch trong vòng 10%, có thể được nhúng trực tiếp vào phần mềm lựa chọn kỹ thuật để dự đoán hiệu suất nhanh chóng. Các dạng cụ thể như sau:

Kết quả không chỉ lấp đầy khoảng trống trong cơ chế kết hợp "xoáy-nhiệt" của các cánh răng cưa xoắn ốc mà còn cung cấp một con đường tối ưu hóa đa mục tiêu của "tăng cường truyền nhiệt, giảm lực cản và đảm bảo an toàn" cho các ứng dụng như các đảo làm mát bằng không khí trong các nhà máy nhiệt điện, bộ làm mát không khí hóa dầu và làm mát máy biến áp lực kéo trong tàu cao tốc.

Các nhà thiết kế có thể tinh chỉnh bước ngang để truyền nhiệt cao, sử dụng bước dọc để triệt tiêu các đỉnh lực cản và sắp xếp xen kẽ khoảng cách cánh để loại bỏ quá nhiệt cục bộ, đạt được chi phí vòng đời tối thiểu. Trong bối cảnh hai carbon, nghiên cứu này có tiềm năng đáng kể để giảm tiêu thụ năng lượng của hệ thống làm mát và cải thiện hiệu quả thu hồi nhiệt thải công nghiệp.

Trong tương lai, nó có thể được mở rộng sang các cấu hình răng khác nhau, cánh có tiết diện thay đổi và các chất lỏng làm việc hỗn hợp, liên tục thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ quản lý nhiệt hiệu quả cao.