Design with Constructal Theory
Über die Autoren xi
Vorwort xiii
Liste der Symbole xvii
1. Strömungssysteme 1
1.1 Konstruktales Gesetz, Vaskularisation und Schlankheit 1
1.2 Fluidfluss 6
1.2.1 Interne Strömung: Verteilte Reibungsverluste 7
1.2.2 Interne Strömung: Lokale Verluste 11
1.2.3 Externe Strömung 18
1.3 Wärmeübertragung 20
1.3.1 Wärmeleitung 20
1.3.2 Konvektion 24
Referenzen 31
Probleme 31
2. Unvollkommenheit 43
2.1 Entwicklung hin zu möglichst wenig Unvollkommenheit 43
2.2 Thermodynamik 44
2.3 Geschlossene Systeme 46
2.4 Offene Systeme 51
2.5 Analyse technischer Komponenten 52
2.6 Wärmeübertragungsunvollkommenheit 56
2.7 Unvollkommenheit der Flüssigkeitsströmung 57
2.8 Andere Unvollkommenheiten 59
2.9 Optimale Größe der Wärmeübertragungsfläche 61
Referenzen 62
Probleme 63
3. Einfache Strömungskonfigurationen 73
3.1 Strömung zwischen zwei Punkten 73
3.1.1 Optimale Verteilung der Imperfektion 73
3.1.2 Kanalquerschnitte 75
3.2 Flusskanalquerschnitte 78
3.3 Innenabstände für natürliche Konvektion 81
3.3.1 Lernen Sie, indem Sie sich die konkurrierenden Extreme vorstellen 81
3.3.2 Kleine Abstände 84
3.3.3 Große Abstände 85
3.3.4 Optimale Abstände 86
3.3.5 Versetzte Platten und Zylinder 87
3.4 Interne Abstände für erzwungene Konvektion 89
3.4.1 Kleine Abstände 90
3.4.2 Große Abstände 90
3.4.3 Optimale Abstände 91
3.4.4 Gestaffelte Platten, Zylinder und Stiftrippen 92
3.5 Methode zum Schneiden der Asymptoten 94
3.6 Anpassen des Festkörpers an den “Körper” der Strömung 96
3.7 Evolution der Technologie: Von der natürlichen zur erzwungenen Konvektion 98
Referenzen 99
Probleme 101
4. Baumnetzwerke für Fluidströmung 111
4.1 Optimale Proportionen: T- und Y-förmige Konstrukte 112
4.2 Optimale Größen, nicht Proportionen 119
4.3 Bäume zwischen einem Punkt und einem Kreis 123
4.3.1 Eine Pairing-Ebene 124
4.3.2 Freie Anzahl von Pairing-Ebenen 127
4.4 Performance versus Freiheit zu Morph 133
4.5 Bäume mit minimaler Länge 136
4.5.1 Minimale Längen Ebene 137
4.5.2 minimale Längen in drei Dimensionen 139
4.5.3 Minimale Längen auf einer Scheibe 139
4.6 Strategien für schnelleres Design 144
4.6.1 Miniaturisierung erfordert Konstruktion 144
4.6.2 Optimale Bäume im Vergleich zu Bäumen mit minimaler Länge 145
4.6.3 75 Grad Winkel 149
4,7 Bäume Zwischen Einem Punkt und einem Bereich 149
4,8 Asymmetrie 156
4,9 Dreidimensionale Bäume 158
4,10 Schleifen, Junction Verluste und Fractal-Wie Bäume 161
Referenzen 162
Probleme 164
5. Konfigurationen zur Wärmeleitung 171
5.1 Bäume zur Kühlung eines scheibenförmigen Körpers 171
5.1.1 Elementvolumen 173
5.1.2 Optimal geformte Einsätze 177
5.1.3 Eine Verzweigungsebene 178
5.2 Leitungsbäume mit Schleifen 189
5.2.1 Eine Schlaufengröße, eine Verzweigungsebene 190
5.2.2 Radial-, One-Bifurcation- und One-Loop-Designs 195
5.2.3 Zwei Schlaufengrößen, zwei Verzweigungsebenen 197
5.3 Bäume im Mikro- und Nanobereich 202
5.4 Evolution der Technologie: Von der erzwungenen Konvektion zum Festkörper
Referenzen 206
Referenzen 209
Probleme 210
6. Multiskalenkonfigurationen 215
6.1 Verteilung der durch natürliche Konvektion gekühlten Wärmequellen 216
6.2 Verteilung der durch erzwungene Konvektion gekühlten Wärmequellen 224
6.3 Multiskalenplatten für erzwungene Konvektion 229
6.3.1 Erzwingen des gesamten Durchflussvolumens 229
6.3.2 Wärmeübertragung 232
6.3.3 Flüssigkeitsreibung 233
6.3.4 Wärmeübertragungsrate Dichte: Die kleinste Skala 234
6.4 Multiskalenplatten und Abstände für natürliche Konvektion 235
6.5 Multiskalenzylinder im Querstrom 238
6.6 Multiskalentropfen für maximale Stoffaustauschdichte 241
Referenzen 245
Probleme 247
7. Multiobjektive Konfigurationen 249
7.1 Thermischer Widerstand gegen Pumpleistung 249
7.2 Elementarvolumen mit Konvektion 250
7.3 Dendritische Wärmekonvektion auf einer Scheibe 257
7.3.1 Radiales Strömungsmuster 258
7.3.2 Eine Ebene der Paarung 265
7.3.3 Zwei Ebenen der Paarung Ebenen der Paarung 267
7.4 Dendritische Wärmetauscher 274
7.4.1 Geometrie 275
7.4.2 Fluidfluss 277
7.4.3 Wärmeübertragung 278
7.4.4 Radialer Blechgegenstrom 284
7.4.5 Baumgegenstrom auf einer Scheibe 286
7.4.6 Baumgegenstrom auf einem Quadrat 289
7.4.7 Zwei-Ziel-Leistung 291
7.5 Konstruktive Wärmetauschertechnologie 294
7.6 Baumförmige isolierte Konstruktionen für die Verteilung von Warmwasser 295
7.6.1 Elementarer Benutzerstrang 295
7.6.2 Verteilung des Rohrradius 297
7.6.3 Verteilung des 298
7.6.4 Benutzer gleichmäßig über einen Bereich verteilt 301
7.6.5 Baumnetzwerk erzeugt durch sich wiederholende Paarung 307
7.6.6 Eins-nach-Eins-Baumwachstum 313
7.6.7 Komplexe Strömungsstrukturen sind robust 318
Referenzen 325
Probleme 328
8. Vaskularisierte Materialien 329
8.1 Dem Vaskularisierten gehört die Zukunft: Natürliches Design wiederentdeckt 329
8.2 Linienbäume 330
8.3 Gegenstrom von Linienbäumen 334
8.4 Selbstheilende Materialien 343
8.4.1 Gitter von Kanälen 344
8.4.2 Mehrere Skalen, Schleifenformen und Körperformen 352
8.4.3 Bäume, die Baldachin an Baldachin angepasst sind 355
8.4.4 Diagonale und orthogonale Kanäle 362
8.5 Vaskularisierung Bekämpfung der Erwärmung 364
8.6 Die Vaskularisierung wird sich weiter ausbreiten 369
Referenzen 371
Probleme 373
9. Konfigurationen für den elektrokinetischen Stoffaustausch 381
9.1 Skalenanalyse des Transfers von Spezies durch ein poröses System 381
9.2 Modell 385
9.3 Migration durch ein endliches poröses Medium 387
9.4 Ionenextraktion 393
9.5 Konstruktive Ansicht des elektrokinetischen Transfers 396
9.5.1 Reaktive poröse Medien 400
9.5.2 Optimierung in der Zeit 401
9.5.3 Optimierung im Raum 403
Referenzen 405
10. Mechanische und strömungstechnische Strukturen kombiniert 409
10.1 Optimaler Spannungsfluss 409
10.2 Freitragende Träger 411
10.3 Isolierende Wand mit Luftkavitäten und vorgeschriebener Festigkeit 416
10.4 Mechanische Strukturen, die gegen thermischen Angriff beständig sind 424
10.4.1 beim Biegen 425
10.4.2 Maximierung des Widerstands gegen plötzliche Erwärmung 427
10.4.3 Stahlbeton 431
10.5 Vegetation 442
10.5.1 Wurzelform 443
10.5.2 Stamm- und Überdachungsformen 446
10.5.3 Konische Stämme, Äste und Überdachungen 449
10.5.4 Wald 453
Referenzen 458
Probleme 459
11. Quo Vadis Konstruktaltheorie? 467
11.1 Die Thermodynamik von Systemen mit Konfiguration 467
11.2 Zwei Arten zu fließen sind besser als eine 470
11.3 Verteilte Energiesysteme 473
11.4 Skalierung 482
11.5 Überleben durch mehr Leistung, Schlankheit und Territorium 483
11.6 Wissenschaft als konsruktale Flussarchitektur 486
Referenzen 488
Probleme 490
Anhang 491
A. Die Methode der Skalenanalyse 491
B. Methode der unbestimmten Koeffizienten (Lagrange-Multiplikatoren) 493
C. Variationsrechnung 494
D. Konstanten 495
E. Umrechnungsfaktoren 496
F. Dimensionslose Gruppen 499
G. nichtmetallische Feststoffe 499
H. Metallische Feststoffe 503
I. Poröse Materialien 507
J. Flüssigkeiten 508
K. Gase 513
