Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
La loi Constructale est une loi de la physique qui présente la tendance naturelle de tout système d’écoulement (animé comme inanimé) à évoluer vers des configurations offrant progressivement un accès plus facile aux écoulements dans le temps. Les domaines scientifiques couverts par la loi Constructale sont très vastes. Ils concernent aussi bien les écoulements de fluide que les transferts de chaleur ou de masse et font que la loi Constructale trouve parfaitement sa place dans la thermodynamique.
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The constructal law is the law of physics that accounts for the natural tendency of all flow systems (animate or inanimate) to evolve into configurations that offer progressively greater flow access over time. The domains covered by the constructal law are broad: they range from fluid flows to heat and mass transfer, thus making the constructal law an essential part of thermodynamics.
Auteur(s)
-
Adrian BEJAN : Docteur en génie mécanique - J.A. Jones Professor, département de génie mécanique et sciences des matériaux, Duke Université, Durham, NC, États-Unis
-
Sylvie LORENTE : Docteur en génie civil - Professeur des universités, département de génie civil, INSA Toulouse, France
INTRODUCTION
Toute loi de la physique est un énoncé concis qui adresse un phénomène se produisant dans la nature. La loi Constructale est née du constat que le concept de « design » est un phénomène physique universel couvrant des domaines extrêmement larges et des échelles extrêmement différentes, de la forme dendritique du flocon de neige au bassin hydrologique de l’Amazone. Son principe a été énoncé en 1996 . Cette loi est à l’origine d’un ensemble de travaux qui représentent une nouvelle extension de la thermodynamique : la thermodynamique des systèmes hors équilibre avec configuration et évolution.
Imaginons un système thermodynamique isolé dans un état initial interne de non-uniformité comme par exemple des sous-domaines à différentes pressions ou températures séparés par une paroi interne qui se brise soudainement. La première loi et la deuxième loi de la thermodynamique prennent en compte des observations qui décrivent une tendance dans le temps : si le temps est suffisant, le système isolé tend vers un nouvel état d’équilibre : pas de courants internes, l’entropie devient maximale à énergie constante. La première et la deuxième loi décrivent une boîte noire. Rien n’est indiqué sur l’évolution de la configuration (le dessin, l’architecture) des écoulements concernés.
La thermodynamique classique n’est pas concernée par les configurations de ces systèmes d’écoulements hors équilibre. Pourtant, elle le devrait. En effet, le mémoire de Sadi Carnot traite d’améliorations de configurations dans le temps. Son intuition était partagée par beaucoup qui cherchaient à augmenter la performance thermodynamique dans différents domaines (ingénierie, biologie, géophysique, économie...) sans percevoir l’universalité de leur démarche : la génération de configurations dans le temps pour l’optimisation du rendement thermodynamique.
Cette tendance, séquence temporelle de nouveaux dessins, nouvelles formes que le système possède alors qu’il évolue, est le phénomène couvert par la loi Constructale ; pas le dessin en soi, mais la direction dans le temps vers laquelle le système évolue s’il en a la liberté.
Selon la loi Constructale, la génération de configurations d’écoulement dans la nature et en ingénierie obéit à un principe identique. La nature et l’ingénierie peuvent chacune être appréhendées de deux manières, empiriquement ou théoriquement. D’un côté, l’observation de la nature pour la copier vient d’abord et sert de point de départ à la modélisation, description, et ingénierie bio-inspirée. L’approche Constructale va à l’encontre de cette approche : l’architecture des flux est déduite de la loi Constructale. Ce n’est que dans un deuxième temps que la configuration théorique est comparée avec une configuration équivalente trouvée dans la nature.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
flow | thermodynamics | evolution
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3. Thermodynamique des systèmes hors équilibre avec configuration
La loi Constructale montre que la taille des objets d’étude ainsi que leur niveau de complexité sont un résultat et non une hypothèse. Il s’agit d’éléments intrinsèques de l’architecture et de la configuration .
3.1 Propriétés
Un système d’écoulement possède des propriétés qui le distinguent d’une configuration statique. Il s’agit de :
-
la taille externe globale, c’est-à-dire l’ordre de grandeur de la dimension du domaine qui est baigné par l’écoulement de fluide, L ;
-
la taille interne globale, soit par exemple le volume total du réseau fluide, V ;
-
a minima un objectif global de performance tel que la résistance globale à l’écoulement R ;
-
l’architecture ;
-
la liberté de modifier sa forme, sa configuration.
Les dimensions globales externe et interne (L, V ) indiquent que le système possède deux échelles de longueur L et V 1/3 qui forment un nombre adimensionnel, la sveltesse du réseau Sv. La sveltesse représente une propriété de la configuration d’écoulement :
( 12 )
Les structures d’écoulement proposées à partir de la loi Constructale se retrouvent dans le plan V constant de la figure ...
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Thermodynamique des systèmes hors équilibre avec configuration
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BEJAN (A.) - Street network theory of organization in nature. - J. Adv. Transp., 30, p. 85-107 (1996).
-
(2) - BEJAN (A.) - Advanced engineering thermodynamics. - 2nd ed., Wiley, New York (1997).
-
(3) - BEJAN (A.), LORENTE (S.) - Design with constructal theory. - Wiley, Hoboken (2008).
-
(4) - CARRIGAN (C.R.), EICHELBERGER (C.) - Zoning of magmas by viscosity in volcanic conduits. - Nature, London, 343, p. 248-251 (1990).
-
(5) - CARRIGAN (C.R.) - In Magmatic systems. - Edited by RYAN (M.P.), Academic, New York, p. 319-353 (1994).
-
(6) - KOBAYASHI (H.), LORENTE (S.), ANDERSON (R.), BEJAN (A.) - Trees and serpentines in a conducting body. - Int. J. Heat Mass Transfer, 56, p. 488-494 (2013).
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