Diseño con Teoría Constructal

Sobre los Autores xi

Prefacio xiii

Lista de Símbolos xvii

1. Sistemas de Flujo 1

1.1 Ley Constructal, Vascularización y Esbeltez 1

1.2 Flujo de Fluido 6

1.2.1 Flujo Interno: Pérdidas por Fricción Distribuidas 7

1.2.2 Flujo Interno: Pérdidas Locales 11

1.2.3 Flujo Externo 18

1.3 Transferencia de calor 20

1.3.1 Conducción 20

1.3.2 Convección 24

Referencias 31

Problemas De 31

2. Imperfección 43

2.1 Evolución hacia lo Menos Imperfecto Posible 43

2.2 Termodinámica 44

2.3 Sistemas Cerrados 46

2.4 Sistemas Abiertos 51

2.5 Análisis de Componentes de Ingeniería 52

2.6 Imperfección de Transferencia de Calor 56

2.7 Imperfección de Flujo de fluido 57

2.8 Otras Imperfecciones 59

2.9 Tamaño óptimo de la Superficie de Transferencia de Calor 61

Referencias 62

Problemas 63

3. Configuraciones de Flujo Simples 73

3.1 Flujo Entre Dos Puntos 73

3.1.1 Distribución Óptima de la Imperfección 73

3.1.2 Secciones Transversales de Conductos 75

3.2 Secciones Transversales de Canales Fluviales 78

3.3 Espaciamientos Internos para Convección Natural 81

3.3.1 Aprende Imaginando los Extremos de la competencia 81

3.3.2 Espaciamientos pequeños 84

3.3.3 Espaciamientos grandes 85

3.3.4 Espaciamientos óptimos 86

3.3.5 Placas y Cilindros escalonados 87

3.4 Internos Espaciadores para Convección forzada 89

3.4.1 Espaciamientos pequeños 90

3.4.2 Espaciamientos grandes 90

3.4.3 Espaciamientos óptimos 91

3.4.4 Placas, Cilindros y Aletas de Pasador Escalonados 92

3.5 Método de Intersección de las Asíntotas 94

3.6 Ajuste del Sólido al “Cuerpo” del Flujo 96

3.7 Evolución de la Tecnología: De Convección Natural a Forzada 98

Referencias 99

Problemas 101

4. Redes de Árboles para Flujo de Fluidos 111

4.1 Proporciones óptimas: Construcciones en Forma de T e Y 112

4.2 Tamaños óptimos, No Proporciones 119

4.3 Árboles Entre un Punto y un Círculo 123

4.3.1 Un Nivel de Emparejamiento 124

4.3.2 Número Libre de Niveles de emparejamiento 127

4.4 Rendimiento frente a Libertad de Transformación 133

4.5 Árboles de longitud mínima 136

4.5.1 Longitudes mínimas en a Plano 137

4.5.2 Longitudes mínimas en Tres Dimensiones 139

4.5.3 Longitudes mínimas en un Disco 139

4.6 Estrategias para un Diseño más rápido 144

4.6.1 La miniaturización Requiere Construcción 144

4.6.2 Árboles óptimos frente a Árboles de longitud mínima 145

4.6.3 Ángulos de 75 Grados 149

4.7 Árboles Entre Un Punto y un Área 149

4.8 Asimetría 156

4.9 Árboles Tridimensionales 158

4.10 Bucles, Pérdidas de Unión y Árboles Fractales 161

Referencias 162

Problemas 164

5. Configuraciones para Conducción de Calor 171

5.1 Árboles para Enfriar un Cuerpo en Forma de Disco 171

5.1.1 Volumen Elemental 173

5.1.2 Insertos de Forma Óptima 177

5.1.3 Un Nivel de Ramificación 178

5.2 Árboles de Conducción con Bucles 189

5.2.1 Un Tamaño de Bucle, Un Nivel de Ramificación 190

5.2.2 Diseños Radiales, de Una Bifurcación y Un Bucle 195

5.2.3 Dos Tamaños de Bucle, Dos Niveles de Ramificación 197

5.3 Árboles en Micro y Nanoescalas 202

5.4 Evolución de la Tecnología: De la Convección Forzada al Cuerpo Sólido

Conducción 206

Referencias 209

Problemas 210

6. Multiescala Configuraciones 215

6.1 Distribución de Fuentes de Calor Enfriado por Convección Natural 216

6.2 Distribución de Fuentes de Calor Enfriado por Convección Forzada 224

6.3 Placas Multiescala para Convección Forzada 229

6.3.1 Forzar a Trabajar todo el Volumen de Flujo 229

6.3.2 Transferencia de Calor 232

6.3.3 Fricción de Fluido 233

6.3.4 Densidad de Velocidad de Transferencia de Calor: La Escala Más Pequeña 234

6.4 Placas y Espaciadores Multiescala para Convección Natural 235

6.5 Cilindros Multiescala en Flujo Cruzado 238

6.6 Gotas Multiescala para una Densidad de Transferencia de Masa Máxima 241

Referencias 245

Problemas 247

7. Multiobjective Configuraciones 249

7.1 Resistencia Térmica frente a Potencia de bombeo 249

7.2 Volumen Elemental con Convección 250

7.3 Convección Térmica Dendrítica en un Disco 257

7.3.1 Patrón de flujo Radial 258

7.3.2 Un Nivel de emparejamiento 265

7.3.3 Dos Niveles de emparejamiento 267

7.4 Intercambiadores de calor Dendríticos 274

7.4.1 Geometría 275

7.4.2 Flujo de fluido 277

7.4.3 Transferencia de calor 278

7.4.4 Contraflujo de hoja Radial 284

7.4.5 Contraflujo de árbol en un Disco 286

7.4.6 Contraflujo de árbol en un cuadrado 289

7.4.7 Rendimiento de dos Objetivos 291

7.5 Tecnología de Intercambiador de Calor Constructal 294

7.6 Diseños Aislados en Forma de Árbol para la Distribución de Agua Caliente 295

7.6.1 Cadena Elemental de Usuarios 295

7.6.2 Distribución del Radio de tubería 297

7.6.3 Distribución de Aislamiento 298

7.6.4 Usuarios Distribuidos Uniformemente en un Área 301

7.6.5 Red de Árboles Generada por Emparejamiento Repetitivo 307

7.6.6 Crecimiento de Árboles Uno por Uno 313

7.6.7 Las Estructuras De Flujo Complejas Son Robustas 318

Referencias 325

Problemas 328

8. Materiales Vascularizados 329

8.1 El Futuro Pertenece a los Vascularizados: El Diseño Natural Redescubierto 329

8.2 Árboles de Línea a Línea 330

8.3 Contraflujo de Árboles de Línea a Línea 334

8.4 Materiales Auto-Curativos 343

8.4.1 Cuadrículas de Canales 344

8.4.2 Múltiples Escalas, Formas de Bucle y Formas de Cuerpo 352

8.4.3 Árboles Emparejados de Dosel a Dosel 355

8.4.4 Canales Diagonales y Ortogonales 362

8.5 Vascularización Luchando contra el Calentamiento 364

8.6 La vascularización continuará Extendiéndose 369

Referencias 371

Problemas 373

9. Configuraciones para Transferencia de Masa Electrocinética 381

9.1 Análisis de Escala de Transferencia de Especies a través de un Sistema Poroso 381

9.2 Modelo 385

9.3 Migración a través de un Medio Poroso Finito 387

9.4 Extracción Iónica 393

9.5 Vista Constructal de Transferencia Electrocinética 396

9.5.1 Medios porosos reactivos 400

9.5.2 Optimización en el tiempo 401

9.5.3 Optimización en el espacio 403

Referencias 405

10. Estructuras Mecánicas y de Flujo Combinadas 409

10.1 Flujo Óptimo de Tensiones 409

10.2 Vigas en voladizo 411

10.3 Pared Aislante con Cavidades de Aire y Resistencia Prescrita 416

10.4 Estructuras Mecánicas Resistentes al Ataque Térmico 424

10.4.1 Vigas en Flexión 425

10.4.2 Maximización de la Resistencia al Calentamiento Repentino 427

10.4.3 Hormigón Armado de acero 431

10.5 Vegetación 442

10.5.1 Forma de raíz 443

10.5.2 Formas de Tronco y Dosel 446

10.5.3 Troncos, Ramas y Doseles Cónicos 449

10.5.4 Bosque 453

Referencias 458

Problemas 459

11. ¿Teoría Constructal de Quo Vadis? 467

11.1 La Termodinámica de los Sistemas con Configuración 467

11.2 Dos Formas de Fluir Son Mejores que Una 470

11.3 Sistemas de Energía Distribuida 473

11.4 Escalado 482

11.5 Supervivencia a través de un Mayor Rendimiento, Esbeltez y Territorio 483

11.6 La Ciencia como Arquitectura de Flujo Consructal 486

Referencias 488

Problemas 490

Apéndice 491

A. El Método de Análisis de Escala 491

B. Método de Coeficientes Indeterminados (Multiplicadores de Lagrange) 493

C. Cálculo Variacional 494

D. Constantes 495

E. Factores de conversión 496

F. Grupos Adimensionales 499

G. Sólidos no Metálicos 499

H. Sólidos metálicos 503

I. Materiales porosos 507

J. Líquidos 508

K. Gases 513