Konstrukturális elmélet

A constructal elmélet a globális optimalizálás alatt helyi korlátokat által létrehozott Adrian Bejan , megmagyarázza egy egyszerű módja a megjelenése sok természeti formák, különösen a fa szerkezetek, mint a kiszáradás slot, kanyarog a folyók, a tüdő, a fák ... A konstruktív ötlet az, hogy a az áramlási architektúrák az áramláshoz való hozzáférés maximalizálásának elvéből fakadnak az idő múlásával, átalakulásuk képességével kombinálva.

Ez az elmélet lehetővé teszi az optimalizált rendszerek tervezését a tervezett rendszer elkerülhetetlen belső ellenállásainak, például a hűtőrendszer hőátadó folyadékkal, a vízelosztó hálózat stb.

Történelmi

Constructal elmélet jött létre a késő 1990-es évek által Adrian Bejan , aki végzett a Massachusetts Institute of Technology (MIT) 1975 (doktori mechanika ).

Bejan professzor 1976 óta tanít az MIT-n , jelenleg a Duke Egyetem mechanika professzora .

Kutatása a következő területekre terjed ki: az entrópia keletkezésének minimalizálása , exergiaelemzés , kondenzáció, konvekció porózus közegben, átmenet turbulenciára stb.

„Constructal” egy szó alkotta meg Bejan a latin construere (a build), a szimmetria a geometria „ fraktál ”, kialakítva a latin fragere (a szünetben). A szó elméletével összhangban olyan rendszereket jelöl, amelyek idővel önoptimalizálódnak, mint például a hidrológiai hálózatok és a fák, de a földhöz való hozzáférés maximalizálásának evolúciós folyamatából eredő technológiai formákat is.

Alapelvek

A konstrukciós módszer három szakaszból áll: határozza meg az elemi formát, állítson össze többet közülük, és hozza ki a teljes formát.

Például azokban a rendszerekben, amelyek egy pontról egy felületre vagy egy pontról egy térfogatra áramlanak, az építéselmélet fa architektúrákat ír elő, amelyeknek legalább két különálló rezisztív rendszert kell bemutatniuk. Az elmélet minden skálára is vonatkozik: a mikroszkópos és a makroszkopikus rendszerek között.

Néhány alkalmazási terület

Alkalmazás	Fényáram	Fa csatornák	Közbeiktatott terek
Elektronikus csomagok	Hő	Nagy vezetőképességű betétek	Alacsony vezetőképességű hordozó
Városi forgalom	Emberek	Autóforgalom	Séta a városi struktúrában
Vízválasztó	Víz	Patakok és folyók	Darcy fluxus porózus közegben
Tüdő	Levegő	Légutak és hörgők	Diffúzió az alveoláris szövetekben
Vérrendszer	Vér	Erek, kapillárisok, artériák és vénák	Diffúzió a hajszövetben

A konstrukciós elmélet egyik fontos elve az, hogy minden rendszer tökéletlen marad a belső ellenállások (súrlódás stb.) Elkerülhetetlen létezése miatt. Konstrukturális szempontból a legjobb, ha ezeket a tökéletlenségeket optimálisan elosztjuk, és éppen a tökéletlenségek ebből az optimális eloszlásából adódik spontán a rendszer alakja.

Ezen hiányosságok optimális elosztásának egyik módja az, hogy a rendszer legerősebb rezsimjét a rendszer legkisebb skálájára osztja szét.

A konstrukciós elvet Adrian Bejan 1996-ban a következőképpen fogalmazta meg:

„Ahhoz, hogy a véges rendszer idővel fennmaradjon, úgy kell fejlődnie, hogy könnyű hozzáférést biztosítson a rajta áthaladó áramlásokhoz. "

A konstrukciós törvény az az elv, amely létrehozza a "tökéletes" formát, amely valójában a lehető legkevésbé tökéletlen forma.

Eredmények

A konstrukciós elmélet prediktív, ezért ellenőrizhető. A faáramlás architektúrájának konstrukciós elve lehetővé tette tehát sok empirikus allometriai törvény , például determinisztikus előrejelzését :

a metabolikus sebesség és a 3/4-es teljesítményre emelt testtömeg közötti arányosság Kleiber-törvénye : ${\ displaystyle q_ {0}}$ $M$ ${\ displaystyle q_ {0} \ sim M ^ {\ frac {3} {4}}}$
a szív légzési és dobbanási periódusai és az 1/4-re emelt testtömeg közötti arányosság : $t$ $M$ ${\ displaystyle t \ sim M ^ {\ frac {1} {4}}}$
az átviteli érintkezési terület és a testtömeg arányossága : $NÁL NÉL$ $M$ ${\ displaystyle A \ sim M ^ {\ frac {7} {8}}}$
a repülő testek (rovarok, madarak, repülőgépek) optimális repülési sebességének (in ) és az 1/6 teljesítményre emelt tömeg (in ) arányossága : $V _ {{opt}}$ ${\ displaystyle ms ^ {- 1}}$ $M$ $kg$ ${\ displaystyle V_ {opt} \ sim 30.M ^ {\ frac {1} {6}}}$

A constructal törvény Bejan azt is megmagyarázza, hogy miért a hörgők olyan fát 23 szintek elágazás. A hörgők konstrukciós építészeti modellje tehát determinisztikus módon szolgált:

az alveoláris zsákok méretei,
a légutak teljes felülete,
a teljes alveoláris felület,
az oxigénszállítás teljes ellenállása a légzőfában.

Megjegyzések és hivatkozások

(in) Adrian Bejan , " A hőtermelő térfogat hűtésére szolgáló vezetési utak építési-elméleti hálózata " , International Journal of Heat and Mass Transfer , vol. 40, n o 4,1997 március, P. 799–816 ( DOI 10.1016 / 0017-9310 (96) 00175-5 , online olvasás , hozzáférés : 2019. április 20. )
Hervé Poirier, Science et Vie , n ° 1034, 2003. november, 48. oldal.

Lásd is

Bibliográfia

Peter Smith Stevens ( fordította angolról J. Matricon, D. Morello), Les Formes dans la Nature [ „ Patterns in Nature ”], Párizs, Seuil , coll. "Nyílt tudomány",1976( újranyomás 1978), 240 p. , 22 × 27 cm ( ISBN 2-02-004813-2 ) , „Szerkezetek”, p. 41-55
Adrian Bejan és Sylvie Lorente ( angol nyelvről A. Kremer-Marietti fordítása (előszóval)), La Loi constructale [„ A szerkezeti törvény ”], Párizs, L'Harmattan ,2005( ISBN 978-2747584173 )
Alak és felépítés, a mérnöktől a természetig , Cambridge University Press, Cambridge, Egyesült Királyság, 2000 ( ISBN 0-521-79388-2 )
A „Bejan alakja és szerkezete konstruktív elmélete” szimpózium közleménye, szerkesztette: Rui N. Rosa, A. Heitor Reis és AF Miguel, Centro de Geofísica de Évora, Évora Geofizikai Központ, Portugália, 2004 ( ISBN 972-9039-75-5 )
A. Bejan, A természet szerveződésének konstruktív elmélete: dendritikus áramlások, allometriai törvények és repülés, Tervezés és természet, CA Brebbia, L Sucharov & P Pascola (Szerkesztők) ( ISBN 1-85312-901-1 )
AH Reis, AF Miguel, M. Aydin, A tüdő áramlási architektúrájának konstrukciós elmélete, Journal of Medical Physics , 2004. május, 31. évfolyam, 5. szám, pp. 1135-1140
AH Reis, A. Bejan, A globális keringés és éghajlat konstrukciós elmélete , International Journal of Heat and Mass Transfer
Teresa Mia Bejan, "Természettörvény és természetes tervezés" ,2005. február
Angèle Kremer-Marietti, "A konstrukciós elv" ,2006. július
Abdelkader Bachta, „Tudomány és technika: az építési törvény geometriája és fizikája” , 2007
Abdelkader Bachta, Jean Dhombres , Angèle Kremer-Marietti , Trois Études sur la loi constructale Adrian Bejan , Paris, L'Harmattan, 2008
Adrian Bejan, Sylvie Lorente, Design with Constructal Theory , Hoboken (New Jersey-USA), Wiley, 2008. szeptember, 552 p. ( ISBN 978-0-471-99816-7 )

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek

Konstruktív elmélet internetes portál : publikációk, események, linkek stb.
Az elmélet leírása a szerzőtől (főleg angolul)