二维剪切对流中通过聚合物添加剂实现显著的传热增强

散热在现代工程系统中至关重要。聚合物添加剂提供了一条改善流体冷却的潜在途径。在此，我们研究了二维热分层 Poiseuille 流动中弹性增强的传热现象。在雷诺数 $Re$ $\lesssim 1000$ 时，我们观察到两类线性不稳定模式：最近发现的弹性诱导中心模式（Khalid 等, J. Fluid Mech. 915, 2021）和经典的浮力驱动对流模式（Kelly, Adv. Appl. Mech. 31, 35-112, 1994）。直接数值模拟表明，中心模式发展成一种非线性“箭头”状态，但产生的传热增强微乎其微（与导热状态相比通常 $\approx 0.03\%$ 的增幅）。相比之下，聚合物可使与对流模式相关的热通量增加高达 $1100\%$。非线性对流模式状态采取周期轨道或行波的形式，并由可附着在壁面上的钩状聚合物应力结构主导。未附着的钩充当“减速带”，降低了流向速度并促进了壁面法向运动，而壁面附着的钩形成了有效的“聚合物壁”，将流动重组为强烈的反向旋转涡卷，并触发了极端增强机制。扰动动能收支证实了这些状态的弹性-浮力本质，表明聚合物和浮力协同维持了这些状态。壁面附着的钩实现了快速热平衡但施加了较大的水力学惩罚，使其适用于需要快速温度调节的过程流。未附着的钩为传热应用提供了更具热效率的机制。这些结果突显了弹性流体在未来传热增强技术中的潜力。