Constructal teori

Den konstruktionsmæssige teori om global optimering under lokale begrænsninger, skabt af Adrian Bejan , forklarer på en enkel måde fremkomsten af mange naturlige former, især træstrukturer, såsom udtøringsspalter, floder, lunger, træer ... Den konstruktive idé er, at flowarkitekturer er født ud fra et princip om maksimering af adgangen til flow over tid kombineret med deres evne til at transformere.

Denne teori gør det muligt at designe optimerede systemer ved så godt som muligt at distribuere de uundgåelige interne modstande i det designede system, for eksempel et kølesystem ved varmeoverføringsvæske, et vanddistributionsnet osv.

Historisk

Constructal teori blev oprettet i slutningen af 1990'erne af Adrian Bejan , der dimitterede fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i 1975 (doktorgrad i mekanik ).

Professor Bejan har undervist på MIT siden 1976 og er i øjeblikket professor i mekanik ved Duke University .

Hans forskning dækker følgende områder: minimering af generering af entropi , eksergianalyse , kondens, konvektion i porøse medier, overgang til turbulens osv.

"Constructal" er et ord, der er opfundet af Bejan fra det latinske construere (at bygge), ved symmetri med geometrien " fraktal ", dannet på det latinske fragere (at bryde). Ordet betegner i overensstemmelse med hans teori systemer, der optimerer sig selv over tid, såsom hydrologiske netværk og træer, men også teknologiske former, der er resultatet af en evolutionær proces med maksimering af adgangen til jorden.

Principper

Konstruktionsmetoden følger tre faser: Bestem den elementære form, saml flere af dem og frembring den overordnede form.

For eksempel, i systemer, der flyder fra et punkt til en overflade eller fra et punkt til et volumen, giver konstruktionsteori træarkitekturer, hvor disse strømme skal præsentere mindst to forskellige resistive regimer. Teorien gælder også for alle skalaer: fra mikroskopiske til makroskopiske systemer.

Nogle anvendelsesområder

Ansøgning	Strøm	Trækanaler	Mellemliggende mellemrum
Elektroniske pakker	Varme	Indsætninger med høj ledningsevne	Substrat med lav ledningsevne
Bytrafik	Mennesker	Biltrafik	Gå i bystrukturen
Vandskel	Vand	Vandløb og floder	Darcy flux i et porøst medium
Lunger	Luft	Luftveje og bronkier	Diffusion i alveolære væv
Blodsystem	Blod	Blodkar, kapillærer, arterier og vener	Diffusion i hårvæv

Et vigtigt princip i konstruktionsteorien er, at alle systemer er bestemt til at forblive ufuldkomne på grund af den uundgåelige eksistens af interne modstande (friktion osv.). Fra et konstruktivt synspunkt er det bedste, der kan gøres, at distribuere disse ufuldkommenheder optimalt, og det er netop fra denne optimale fordeling af ufuldkommenheder, at systemets form spontant kommer frem.

Især er en af måderne til optimal distribution af disse ufuldkommenheder at distribuere det stærkeste regime i systemet til den mindste skala i systemet.

Konstruktionsprincippet blev anført som følger af Adrian Bejan i 1996:

”For at et endeligt system skal bestå over tid, skal det udvikle sig på en sådan måde, at det giver let adgang til de strømme, der passerer gennem det. "

Den konstruktive lov er det princip, der genererer den "perfekte" form, som faktisk er den mindst ufuldkomne form, der er mulig.

Resultater

Konstruktionsteorien er forudsigelig og kunne derfor verificeres. Den constructal princip om træ flow arkitektur har således gjort det muligt at forudsige, i en helt deterministisk måde mange empiriske allometriske love , for eksempel:

Den Kleiber lov om proportionalitet mellem stofskifte og kropsmasse opløftet til potensen 3/4: ${\ displaystyle q_ {0}}$ $M$ ${\ displaystyle q_ {0} \ sim M ^ {\ frac {3} {4}}}$
proportionaliteten mellem åndedræts- og slagperioderne i hjertet og kropsmassen hævet til kraften 1/4: $t$ $M$ ${\ displaystyle t \ sim M ^ {\ frac {1} {4}}}$
proportionaliteten mellem overførselskontaktområdet og legemsmassen : $PÅ$ $M$ ${\ displaystyle A \ sim M ^ {\ frac {7} {8}}}$
proportionaliteten mellem den optimale flyvehastighed (in ) for flyvende kroppe (insekter, fugle, fly) og massen (in ) hævet til magten 1/6: $V _ {{opt}}$ ${\ displaystyle ms ^ {- 1}}$ $M$ $kg$ ${\ displaystyle V_ {opt} \ sim 30.M ^ {\ frac {1} {6}}}$

Den konstruktive lov Bejan forklarer også, hvorfor bronkierne har et træ med 23 niveauer af bifurkation. Den konstruktive arkitektoniske model af bronkierne har således leveret på en deterministisk måde:

dimensionerne på alveolære poser,
luftvejenes samlede overfladeareal
den samlede alveolære overflade,
den samlede modstand ved ilttransport i luftvejstræet.

Noter og referencer

(i) Adrian Bejan , " Constructal-teori netværk af ledende stier til køling af en varmegenererende volumen " , International Journal of Heat and Mass Transfer , vol. 40, nr . 4,Marts 1997, s. 799–816 ( DOI 10.1016 / 0017-9310 (96) 00175-5 , læst online , adgang 20. april 2019 )
Hervé Poirier, Science et Vie , nr . 1034, november 2003, side 48.

Se også

Bibliografi

Peter Smith Stevens ( oversat fra engelsk af J. Matricon, D. Morello), Les Formes dans la Nature [" Patterns in Nature "], Paris, Seuil , coll. "Åben videnskab",1976( genoptryk 1978), 240 s. , 22 × 27 cm ( ISBN 2-02-004813-2 ) , "Strukturer", s. 41-55
Adrian Bejan og Sylvie Lorente ( oversat fra engelsk af A. Kremer-Marietti (med forord)), La Loi constructale [" The Constructal Law "], Paris, L'Harmattan ,2005( ISBN 978-2747584173 )
Form og struktur, fra ingeniørarbejde til natur , Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2000 ( ISBN 0-521-79388-2 )
Proceedings of the Symposium “Bejans Constructal Theory of Shape and Structure” Redigeret af Rui N. Rosa, A. Heitor Reis & AF Miguel, Centro de Geofísica de Évora, Évora Geophysics Center, Portugal, 2004 ( ISBN 972-9039-75-5 )
A. Bejan, Constructal teori om organisation i naturen: dendritiske strømme, allometriske love og flyvning, Design og natur, CA Brebbia, L Sucharov & P Pascola (redaktører) ( ISBN 1-85312-901-1 )
AH Reis, AF Miguel, M. Aydin, Constructal theory of flow architecture of the lunges, Journal of Medical Physics , maj 2004, bind 31, udgave 5, s. 1135-1140
AH Reis, A. Bejan, Constructal teori om global cirkulation og klima , International Journal of Heat and Mass Transfer
Teresa Mia Bejan, "Naturlov og naturligt design" ,Februar 2005
Angèle Kremer-Marietti, "Det konstruktive princip" ,juli 2006
Abdelkader Bachta, “Videnskab og teknik: konstruktilovens geometri og fysik” , 2007
Abdelkader Bachta, Jean Dhombres , Angèle Kremer-Marietti , Trois Études sur la loi constructale af Adrian Bejan , Paris, L'Harmattan, 2008
Adrian Bejan, Sylvie Lorente, Design with Constructal Theory , Hoboken (New Jersey-USA), Wiley, september 2008, 552 s. ( ISBN 978-0-471-99816-7 )

Relaterede artikler

eksterne links

Constructal Theory internetportal : publikationer, begivenheder, links osv.
Beskrivelse af teorien af dens forfatter (hovedsagelig på engelsk)