Inverse design of microchannel fluid flow networks using Turing pattern dehomogenization

微通道 计算机科学 流体力学 流量(数学) 多孔介质 机械 数学优化 多孔性 物理 数学 材料科学 复合材料
作者
Ercan M. Dede,Yuqing Zhou,Tsuyoshi Nomura
出处
期刊:Structural and Multidisciplinary Optimization [Springer Science+Business Media]
卷期号:62 (4): 2203-2210 被引量:35
标识
DOI:10.1007/s00158-020-02580-w
摘要

Abstract Microchannel reactors are critical in biological plus energy-related applications and require meticulous design of hundreds-to-thousands of fluid flow channels. Such systems commonly comprise intricate space-filling microstructures to control the fluid flow distribution for the reaction process. Traditional flow channel design schemes are intuition-based or utilize analytical rule-based optimization strategies that are oversimplified for large-scale domains of arbitrary geometry. Here, a gradient-based optimization method is proposed, where effective porous media and fluid velocity vector design information is exploited and linked to explicit microchannel parameterizations. Reaction-diffusion equations are then utilized to generate space-filling Turing pattern microchannel flow structures from the porous media field. With this computationally efficient and broadly applicable technique, precise control of fluid flow distribution is demonstrated across large numbers (on the order of hundreds) of microchannels.
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