在高速发展的科技领域中,作为一种自然和工业领域普遍存在的流体类别,黏弹性流体得到了越来越广泛的使用和关注,尤其是微流控技术的发展,开辟了黏弹性流体应用的新局面。目前,关于微通道内黏弹性流体的实验研究方面,已经取得了部分成果,例如在弯曲微通道内引发的弹性湍流强化流体混合。然而,由于通道尺寸的限制和准确测量手段的缺乏,黏弹性流体流动内的传热传质机理研究问题仍然亟待解决;此外,目前缺少针对多物理场作用下弹性湍流内在特性的深入研究,其流动机理缺乏合理解释。微尺度通道内黏弹性流体传热特性的研究结果,可以指导微型传热器、微尺度热驱动设备、微尺度生物传热等方面的深入研究。此外,开展黏弹性流体在微通道内多物理场耦合作用下的弹性湍流的研究,可以提供弹性湍流各阶段流态下聚合物分子变形场,弹性应力场、弹性能量场等信息,为弹性湍流的机理研究提供依据。本文针对黏弹性流体在微通道内诱发的弹性湍流问题,通过开发微通道内准确的温度测量方法,结合流动测试技术,建立微尺度通道内流动传热实验系统。与此同时,开发稳定求解黏弹性流体弹性湍流流动与传热的计算程序,对流动与传热特性及弹性湍流作用机理,进行直接数值模拟(DNS)和理论分析。首先,在实验研究方面,选取合适的牛顿流体和黏弹性流体作为微通道流动实验工质,对实验流体的热物性参数以及流变学参数进行测量;设计一种内嵌式的钛-铂薄膜加热测温传感器,布置在微通道的底部壁面,制备完成具有加热测温功能的微通道,同时结合micro-PIV技术测量流场,进行黏弹性流体弹性湍流流动与传热实验。随后,为了佐证实验结果并补充实验无法获得的信息,采用对数重构方法求解粘弹性流体本构方程,建立了求解高维森贝格数下黏弹性流体流动的计算程序,对弯曲微通道内黏弹性流体诱发弹性湍流和传热问题进行了DNS研究。最后,利用DNS所得的速度场、应力场和能量场等信息,从黏弹性流体内的弹性结构和主流的相互作用方面进行机理分析;同时,结合温度场与速度场,利用对流输运理论,对弹性湍流强化传热机理进行了分析。在微通道内黏弹性流体流动与传热特性研究中,分别对牛顿流体和黏弹性流体进行了分析,与牛顿流体相比,实验和DNS均得到了黏弹性流体中的弹性不稳定流动增强传热效果。从实验和数值计算中得到的标量能谱可知,在弯曲微通道中,黏弹性流体诱发了弹性湍流,其湍动能在大尺度上便开始衰减,得到弹性湍流与惯性湍流中Batchelor流态具有相同的衰减指数,而Batchelor流态中的标量输运依赖流场的对流输运过程。同时,弹性作用促使微通道横截面内流动形成二次流,截面中额外的对流输运对通道壁面的热量传递至截面中心有着强烈的促进作用。而且,随着弹性作用的增强,包括增加流动剪切速率或使用较长松弛时间的黏弹性流体,都可以使传热的效率得到增加。此外,弯曲方向频繁改变的通道结构会迫使流动于其中的黏弹性流体温度场不断地进行再发展,对于弹性湍流状态下的传热又有着进一步提升。在弹性湍流形成和发展机理的探索工作中,分别对流动的速度场,变形场,应力场和能量场进行耦合研究,通过应力平衡分析,发现弹性湍流流动中,弹性应力主导着流场内的压力分布,并且改变通道流动结构特征;同时,流场发生不稳定位置与应力聚集和释放的位置紧密相关;弹性能收支结果意味着,剪切流动将壁面附近的柔性分子结构拉伸产生弹性应力的聚集,弹性应力引起流动结构和涡结构的改变,与此同时,弹性应力促使高聚物分子运动到低剪切率区域,聚合物分子因此被反复拉伸-收缩,在这个过程中聚合物分子吸收和释放了弹性能,与主流进行着能量交换,最终实现弹性湍流。经过以上分析,本文在弹性湍流发生机理,弹性应力作用机理以及对流强化传热机理方面有了深刻和全面的认识,为微通道内的黏弹性流体流动提供了有效的研究方法以及机理解释,为微尺度下强化传热技术的开发提供了全面的理论依据。