Optimal branching structure of fluidic networks with permeable walls

Biological and engineering studies of Hess-Murray’s law are focused on assemblies of tubes with impermeable walls. Blood vessels and airways have permeable walls to allow the exchange of fluid and other dissolved substances with tissues. Should Hess-Murray’s law hold for bifurcating systems in which the walls of the vessels are permeable to fluid? This paper investigates the fluid flow in a porous-walled T-shaped assembly of vessels. Fluid flow in this branching flow structure is studied numerically to predict the configuration that provides greater access to the flow. Our findings indicate, among other results, that an asymmetric flow (i.e., breaking the symmetry of the flow distribution) may occur in this symmetrical dichotomous system. To derive expressions for the optimum branching sizes, the hydraulic resistance of the branched system is computed. Here we show the T-shaped assembly of vessels is only conforming to Hess-Murray’s law optimum as long as they have impervious walls. Findings also indicate that the optimum relationship between the sizes of parent and daughter tubes depends on the wall permeability of the assembled tubes. Our results agree with analytical results obtained from a variety of sources and provide new insights into the dynamics within the assembly of vessels

Diseño constructal de álabes de turbina de gas refrigerados mediante conductos elipticos

La eficiencia térmica y la potencia generada de una turbina de gas, se incrementan a medida que aumenta la temperatura de entrada al rotor (RIT, por sus siglas en inglés, la eficiencia, debido a la máxima temperatura que pueden soportar los materiales de los álabes. Los gases provenientes de la cámara de combustión a muy alta temperatura y velocidad, generan tensiones térmicas y mecánicas provocando desgaste, fluencia lenta (creep) y fatiga, como los principales causantes de fallas, influyendo en la vida útil de los mismos. El creciente interés por hacer un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles, ha enfocado esfuerzos en el mejoramiento de 3 grandes cuestiones: 1- Mejora de la efectividad de refrigeración, 2- nuevos materiales con recubrimientos cerámicos de alta temperatura, 3- Mejora de la eficiencia del guiado del flujo, reduciendo las fugas. El presente trabajo, busca mejorar la eficiencia de refrigeración interna de los álabes, mediante un diseño óptimo del perfil de álabe con canales elípticos internos, que permita maximizar la conducción de calor, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie externa del álabe, sometido a un flujo de calor externo proveniente de los gases calientes. El modelo analizado es un álabe elemental, con canales elípticos, con la posibilidad de variar 7 grados de libertad geométricos, cuya resolución numérica mediante el método de volúmenes finitos es realizada con Matlab. Los resultados obtenidos, indican que existe, tal como la teoría Constructal predice, un diseño óptimo que mejora la accesibilidad de los flujos, reduciendo la resistencia térmica y por ende, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie del álabe.Eje: Eficiencia energética.Facultad de Ingenierí

Diseño constructal de álabes de turbina de gas refrigerados mediante conductos elipticos

La eficiencia térmica y la potencia generada de una turbina de gas, se incrementan a medida que aumenta la temperatura de entrada al rotor (RIT, por sus siglas en inglés, la eficiencia, debido a la máxima temperatura que pueden soportar los materiales de los álabes. Los gases provenientes de la cámara de combustión a muy alta temperatura y velocidad, generan tensiones térmicas y mecánicas provocando desgaste, fluencia lenta (creep) y fatiga, como los principales causantes de fallas, influyendo en la vida útil de los mismos. El creciente interés por hacer un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles, ha enfocado esfuerzos en el mejoramiento de 3 grandes cuestiones: 1- Mejora de la efectividad de refrigeración, 2- nuevos materiales con recubrimientos cerámicos de alta temperatura, 3- Mejora de la eficiencia del guiado del flujo, reduciendo las fugas. El presente trabajo, busca mejorar la eficiencia de refrigeración interna de los álabes, mediante un diseño óptimo del perfil de álabe con canales elípticos internos, que permita maximizar la conducción de calor, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie externa del álabe, sometido a un flujo de calor externo proveniente de los gases calientes. El modelo analizado es un álabe elemental, con canales elípticos, con la posibilidad de variar 7 grados de libertad geométricos, cuya resolución numérica mediante el método de volúmenes finitos es realizada con Matlab. Los resultados obtenidos, indican que existe, tal como la teoría Constructal predice, un diseño óptimo que mejora la accesibilidad de los flujos, reduciendo la resistencia térmica y por ende, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie del álabe.Eje: Eficiencia energética.Facultad de Ingenierí

Diseño constructal de álabes de turbina de gas refrigerados mediante conductos elipticos

La eficiencia térmica y la potencia generada de una turbina de gas, se incrementan a medida que aumenta la temperatura de entrada al rotor (RIT, por sus siglas en inglés, la eficiencia, debido a la máxima temperatura que pueden soportar los materiales de los álabes. Los gases provenientes de la cámara de combustión a muy alta temperatura y velocidad, generan tensiones térmicas y mecánicas provocando desgaste, fluencia lenta (creep) y fatiga, como los principales causantes de fallas, influyendo en la vida útil de los mismos. El creciente interés por hacer un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles, ha enfocado esfuerzos en el mejoramiento de 3 grandes cuestiones: 1- Mejora de la efectividad de refrigeración, 2- nuevos materiales con recubrimientos cerámicos de alta temperatura, 3- Mejora de la eficiencia del guiado del flujo, reduciendo las fugas. El presente trabajo, busca mejorar la eficiencia de refrigeración interna de los álabes, mediante un diseño óptimo del perfil de álabe con canales elípticos internos, que permita maximizar la conducción de calor, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie externa del álabe, sometido a un flujo de calor externo proveniente de los gases calientes. El modelo analizado es un álabe elemental, con canales elípticos, con la posibilidad de variar 7 grados de libertad geométricos, cuya resolución numérica mediante el método de volúmenes finitos es realizada con Matlab. Los resultados obtenidos, indican que existe, tal como la teoría Constructal predice, un diseño óptimo que mejora la accesibilidad de los flujos, reduciendo la resistencia térmica y por ende, minimizando la máxima temperatura sobre la superficie del álabe.Eje: Eficiencia energética.Facultad de Ingenierí

Geometric evaluation of stiffened steel plates subjected to transverse loading for naval and offshore applications

This work searched for the optimal geometrical configuration of simply supported stiffened plates subjected to a transverse and uniformly distributed load. From a non-stiffened reference plate, different geometrical configurations of stiffened plates, with the same volume as the reference plate, were defined through the constructal design method. Thus, applying the exhaustive search technique and using the ANSYS software, the mechanical behaviors of all the suggested stiffened plates were compared to each other to find the geometrical configuration that provided the minimum deflection in the plate's center when subjected to this loading. The optimum geometrical configuration of stiffeners is presented at the end of this work, allowing a reduction of 98.57% for the central deflection of the stiffened plate if compared to the reference plate. Furthermore, power equations were adjusted to describe the deflections for each combination of longitudinal and transverse stiffeners as a function of the ratio between the height and the thickness of the stiffeners. Finally, a unique equation for determining the central deflections of the studied stiffened plates based only on the number of longitudinal stiffeners without significantly losing accuracy has been proposed

CONSTRUCTAL DESIGN OF T-Y ASSEMBLY OF FINS FOR AN OPTIMIZED HEAT REMOVAL

Constructal design has been applied to a large variety of problems in nature and engineering to optimize the architecture of animate and inanimate flow systems. This numerical work uses this method to seek for the best geometry of a T-Y assembly of fins, i.e., an assembly where there is a cavity between the two branches of the assembly of fins. The global thermal resistance of the assembly is minimized by geometric optimization subject to the following constraints: the total volume, the volume of fin-material, and the volume of the cavity. Parametric study was performed to show the behavior of the twice minimized global thermal resistance. The results show that smaller cavity volume and larger fins volume improve the performance of the assembly of fins. The twice minimized global thermal resistance of the assembly and its corresponding optimal configurations calculated for the studied parameters were correlated by power laws

Constructal design of Y-shaped assembly of fins

This work relies on constructal design to perform the geometric optimization of the Y-shaped assembly of fins. It is shown numerically that the global thermal resistance of the Y-shaped assembly of fins can be minimized by geometric optimization subject to total volume and fin material constraints. A triple optimization showed the emergence of an optimal architecture that minimizes the global thermal resistance: an optimal external shape for the assembly, an internal optimal ratio of plate-fin thicknesses and an optimal angle between the tributary branches and the horizontal. Parametric study was performed to show the behavior of the minimized global thermal resistance. The results also show that the optimized Y-shaped structure performs better than the optimized T-shaped one

Geometric optimization of X-shaped cavities and pathways according to Bejan\u2019s theory: Comparative analysis

This paper applies constructal design to study the geometry of a X-shaped isothermal cavity and a X-shaped high conductivity pathway that penetrate into a solid conducting wall. The objective is to minimize the maximal excess of temperature of the whole system, i.e. the hot spots, independent of where they are located. There is uniform heat generation on the solid body, which is insulated on the external perimeter. The total volume and the cavity volume, as well as the high conductivity material volume, are fixed, but the geometric lengths and thickness of both X-shaped configurations can vary. The emerged optimal configurations and performance are reported graphically and numerically. The results indicate that the increase of the complexity of the geometry can facilitate the access of heat currents and improve the thermal performance. The degree of freedom L1/L0 proved to be significant on the performance of the X-shaped isothermal cavity, e.g. the once optimized ratio (L1/L0)o increases approximately 10% as the area fraction fi increases from fi = 0.05 to 0.3. As for the X-shaped pathway case, it has been demonstrated that the dimensionless thermal conductivity of the path ~kp and the area fraction fi have a strong effect on the performance and configuration of the X-shaped blades: the twice minimized fimax,mm decreases approximately 70% as ~kp increases from 30 to 300 and it decreases approximately 84% as / augments from 0.01 to 0.2. Furthermore, the X-shaped conductive pathways configuration increases its performance monotonically with the augmentation of the pathways thermal conductivity: in correspondence to the highest possible value of ~kp, the X-shaped conductive pathways present approximately the same heat removal capacity of the X-shaped cavities optimized in the first part of the paper