This report discusses the use of micro-fabrication techniques for creating experimental test sections containing trees of micro-finned conducting pathways, also referred to as constructal trees, for cooling a heat generating substrate. These trees are made of copper and contain branches that bifurcate at 90° angles to form constructal patterns. The patterns for the finalized test sections were created using photolithography techniques, and copper was deposited via thermal evaporation onto a 1 cm² substrate to create the trees. Certain test section design parameters were varied including the geometric complexity of the constructal trees, the volume of copper used between tree complexities, choice of material for the substrate, and the height, or thickness, of the trees. Also described in this report is an experimental methodology and testing apparatus designed to assess the cooling performance of the test sections. This methodology includes using controlled uniform heating applied to the bottom of each test section, while cooled nitrogen is impinged on the tip of the constructal tree to create a heat sink. / text

Les propos de cette thèse princeps s’inscrivent dans une démarche qui consiste à rétablir dans sa fonction seconde, en sciences humaines et sociales, l’approche dite cartésienne comme étant la conséquence cartographique d’une approche préliminaire trifonctionnelle (trikãlienne) telle que l’a mise au jour le philologue Georges Dumézil. Le tout permettant de faire entrer les sciences de l’information et des communications dans une dimension constructale quelques soient les problématiques soulevées. La théorie constructale des communications est phénoménologique et fait lien avec la loi constructale mise au jour par Adrian Bejan.La loi de Constructal, telle qu’elle a été mise au jour par Adrian Bejan, professeur et inventeur de la théorie constructale des formes et de leurs évolutions dans la nature, est celle qui régit le phénomène universel de l’évolution de la production et de l'évolution des configurations (formes, structures, rythmes) des systèmes animés, inanimés autant qu’humains. Au niveau global, la loi de Constructale des communications, sur modèle trifonctionnel de Patrick Kalason, explique la topographie que prennent les formes communicationnelles (richesse et complexité).Dans cette thèse, Patrick Kalason, découvreur de la théorie constructale des communications sur fondements systémiques trifonctionnels, propose des nouvelles clefs d’accès à la compréhension des formes issues de la sociodynamique telles que les pratiques religieuses, les processus de négociation, la pédagogie et les mécanismes sémiologiques qui sous-tendent les changements sociétaux. / The comments of this princeps thesis in communication join a step which consists in restoring in human and social sciences the called “cartesian approach” in his second function as being the cartographic consequence of a preliminary approach trifunctional (trikãlian model) such as brought the one to light by the philologist Georges Dumezil . Allowing the whole to integrate into constructal dimension of the information and the communication sciences whatever the issues raised.The Constructal Law, such as brought to light by Adrian Bejan, professor and proponent of the constructal theory of design and evolution in nature, governs the universal phenomenon of generation and evolution of design (shape, structure, rhythm) in animate, inanimate and human systems. At the global level, the Constructal Law of communication, with a triadic model, accounts for the topography and design of human communication (wealth & complexity). In this thesis, Patrick Kalason, proponent of a constructal and trifunctional systematic approach in communications, proposes new keys to understand the emergency of sociodynamic forms such as religious practices, negotiation processes, pedagogy, and communication (semiology) mechanisms underlying social changes.

Turbinas eólicas usualmente são agrupadas em grandes parques, reduzindo o custo de instalação, transmissão da energia e manutenção periódica. A superposição das esteiras sobre turbinas adjacentes normalmente reduz consideravelmente a capacidade total, objeto de estudo de Micrositing. Porém, por vezes o “efeito Venturi” ocasionado pelas turbinas à montante induz maior velocidade às turbinas adjacentes aumentando o potencial eólico disponível nas linhas consecutivas. De forma inovadora empregar o Design Constructal de Bejan, o modelo do disco atuador genérico e a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para obter a melhor disposição geométrica das turbinas em uma área plana e não rugosa, com foco à maior potência extraída por área de turbinas instaladas. Para tal, modelar e predizer o comportamento da esteira é fundamental, assim como conhecer os modelos de esteira e a aplicabilidade dos métodos empregados. O Design Constructal é a fonte dos parâmetros geométricos base das simulações: o espaçamento entre as turbinas e as razões de diâmetros. Após 64 simulações semi-iterativas e mais de 60 iterativas verifica-se que o maior ganho em potência disponível por área é de 7,37% para a configuração V = 7m/s, S = 3D, d/D = 0.5, L = 3D e 8,48% para a configuração V = 11m/s, S = 3D; d/D = 0.25 & 0.5, L= 0.75D, valor relativo à execução de somente um diâmetro de 100 metros. / Usually wind turbines are grouped in large parks, reducing the cost of installation, energy transmission and periodic maintenance. But the overlapping of the aerodynamical wakes on adjacent turbines reduces the total capacity, Micrositing study. However, the "Venturi effect" caused by the turbines upstream sometimes increases the speed to the adjacent turbines increasing the wind potential available in straight lines. Innovatively employing the Design Constructal Bejan, the model of the actuator disc and Computational Fluid Dynamics (CFD) to search the best geometrical layout of the turbines on a roughless and flat area, focus on higher power extracted by area. To do this, model and predict the wake of behavior is fundamental, as well as know the aerodynamical wakes models and the applicability of the methods employed. The Design Constructal is the source of the simulation’s parameters: spacing between the turbines and the diameter’s ratio. After concluded 64 semi-iterative and iterative simulations, and more than 60 verifies, the best gain in available power per area is 7.37% for the configuration V = 7 m/s; S = 3d; d/D = 0.5; L = 3D. And the gain of 8.48% for the configuration V = 11m/s, s = 3D; d/D = 0.25 & 0.50; L = 0.75D, comparing to the implementation of just 100 meters diameter.

Turbinas eólicas usualmente são agrupadas em grandes parques, reduzindo o custo de instalação, transmissão da energia e manutenção periódica. A superposição das esteiras sobre turbinas adjacentes normalmente reduz consideravelmente a capacidade total, objeto de estudo de Micrositing. Porém, por vezes o “efeito Venturi” ocasionado pelas turbinas à montante induz maior velocidade às turbinas adjacentes aumentando o potencial eólico disponível nas linhas consecutivas. De forma inovadora empregar o Design Constructal de Bejan, o modelo do disco atuador genérico e a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para obter a melhor disposição geométrica das turbinas em uma área plana e não rugosa, com foco à maior potência extraída por área de turbinas instaladas. Para tal, modelar e predizer o comportamento da esteira é fundamental, assim como conhecer os modelos de esteira e a aplicabilidade dos métodos empregados. O Design Constructal é a fonte dos parâmetros geométricos base das simulações: o espaçamento entre as turbinas e as razões de diâmetros. Após 64 simulações semi-iterativas e mais de 60 iterativas verifica-se que o maior ganho em potência disponível por área é de 7,37% para a configuração V = 7m/s, S = 3D, d/D = 0.5, L = 3D e 8,48% para a configuração V = 11m/s, S = 3D; d/D = 0.25 & 0.5, L= 0.75D, valor relativo à execução de somente um diâmetro de 100 metros. / Usually wind turbines are grouped in large parks, reducing the cost of installation, energy transmission and periodic maintenance. But the overlapping of the aerodynamical wakes on adjacent turbines reduces the total capacity, Micrositing study. However, the "Venturi effect" caused by the turbines upstream sometimes increases the speed to the adjacent turbines increasing the wind potential available in straight lines. Innovatively employing the Design Constructal Bejan, the model of the actuator disc and Computational Fluid Dynamics (CFD) to search the best geometrical layout of the turbines on a roughless and flat area, focus on higher power extracted by area. To do this, model and predict the wake of behavior is fundamental, as well as know the aerodynamical wakes models and the applicability of the methods employed. The Design Constructal is the source of the simulation’s parameters: spacing between the turbines and the diameter’s ratio. After concluded 64 semi-iterative and iterative simulations, and more than 60 verifies, the best gain in available power per area is 7.37% for the configuration V = 7 m/s; S = 3d; d/D = 0.5; L = 3D. And the gain of 8.48% for the configuration V = 11m/s, s = 3D; d/D = 0.25 & 0.50; L = 0.75D, comparing to the implementation of just 100 meters diameter.

O presente trabalho utiliza o método Constructal Design para desenvolver o estudo numérico da configuração de materiais de alta condutividade térmica em forma de “Y” que minimiza a resistência ao fluxo de calor, quando áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividades são mantidas constantes. Para a solução numérica da equação diferencial da difusão do calor e suas respectivas condições de contorno, foi utilizado o software MATLAB ®, mais especificamente a ferramenta PDETOOL, Partial Differential Equations Tool. O objetivo deste trabalho é a minimização da resistência térmica do sistema gerador de calor com baixa condutividade térmica com a utilização de vias em formato de Y com material de alta condutividade térmica e volume constante, sendo variáveis os comprimentos e espessuras do material dos ramos simples e bifurcados. Todas as possibilidades geométricas foram avaliadas e a geometria ótima foi aquela que conduziu a menor resistência térmica. Duas condições são apresentadas, a primeira tem os ramos e a base da geometria “Y” com igual condutividade térmica. Os resultados para esta configuração mostram que existem valores específicos para os graus de liberdade que minimizam a resistência térmica. Nesse caso, os ramos se degeneraram e a configuração ótima tem a forma de um “V”. A segunda configuração apresenta combinações de condutividade térmica diferentes, para os ramos e a bases. Para estes casos obteve-se um valor otimizado próximo de 1 para a razão entre os comprimentos dos ramos simples e bifurcados, indicando que a configuração otimizada tem realmente a forma de um “Y” o que demonstra a dependência entre a geometria e as condições impostas pelo meio. Embora o design inicial do Y possa assumir diversas configurações, quando comparado o primeiro design com o design final, no caso do Y com iguais condutividades térmicas se conseguiu uma melhora superior a 28% e no caso do Y com condutividades diferentes mais de 30 %. Finalmente, este trabalho mostra que a geometria otimizada é aquela que melhor distribui as imperfeições, isto é, os pontos quentes (pontos de temperatura máxima), o que está de acordo com o princípio da ótima distribuição das imperfeições. / The present work used the method Constructal Design to develop numerical analyses of pathways of high thermal conductivity in "Y" shape which minimizes the thermal resistance when areas occupied by the materials of high and low conductivities are kept constant. For the numerical solution of the differential equations of heat diffusion and their boundary conditions, we used the MATLAB ® software, specifically the PDETOOL tool. The aim was to minimize the thermal resistance of the heat generator system with low thermal conductivity with the use of Y-shaped pathways with high thermal conductivity and constant volume, with variable lengths and thicknesses of material from stem and forked branches. All geometric possibilities were evaluated and the optimal geometry was that which resulted in lower thermal resistance. Two conditions were studied. In the first one the stem and branches of the "Y" have equal thermal conductivity. The results for this configuration show that there are specific values for the degrees of freedom to minimize the thermal resistance. In this case, the branches have degenerated and the optimum configuration has the shape of a "V". The second configuration offers different combinations of thermal conductivity, for branches and bases. For these cases we obtained a optimized value close to 1 for the ratio between the lengths of stem and bifurcated branches, indicating that the optimized configuration actually has the shape of a "Y" which shows the dependency of geometry and condition imposed by the environment. Although the initial design of Y can take various configurations, when compared the first design to the final design, in the case of Y with equal thermal conductivity it this improvement was achieved an improvement greater than 28% and in the case of Y with different conductivities over 30%. Finally, this study showed that the optimized geometry is the one that better distributes imperfections, this is, hot spots (points of maximum temperature), which is in accordance with the principle of the optimal distribution of imperfections.

Turbinas eólicas usualmente são agrupadas em grandes parques, reduzindo o custo de instalação, transmissão da energia e manutenção periódica. A superposição das esteiras sobre turbinas adjacentes normalmente reduz consideravelmente a capacidade total, objeto de estudo de Micrositing. Porém, por vezes o “efeito Venturi” ocasionado pelas turbinas à montante induz maior velocidade às turbinas adjacentes aumentando o potencial eólico disponível nas linhas consecutivas. De forma inovadora empregar o Design Constructal de Bejan, o modelo do disco atuador genérico e a Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) para obter a melhor disposição geométrica das turbinas em uma área plana e não rugosa, com foco à maior potência extraída por área de turbinas instaladas. Para tal, modelar e predizer o comportamento da esteira é fundamental, assim como conhecer os modelos de esteira e a aplicabilidade dos métodos empregados. O Design Constructal é a fonte dos parâmetros geométricos base das simulações: o espaçamento entre as turbinas e as razões de diâmetros. Após 64 simulações semi-iterativas e mais de 60 iterativas verifica-se que o maior ganho em potência disponível por área é de 7,37% para a configuração V = 7m/s, S = 3D, d/D = 0.5, L = 3D e 8,48% para a configuração V = 11m/s, S = 3D; d/D = 0.25 & 0.5, L= 0.75D, valor relativo à execução de somente um diâmetro de 100 metros. / Usually wind turbines are grouped in large parks, reducing the cost of installation, energy transmission and periodic maintenance. But the overlapping of the aerodynamical wakes on adjacent turbines reduces the total capacity, Micrositing study. However, the "Venturi effect" caused by the turbines upstream sometimes increases the speed to the adjacent turbines increasing the wind potential available in straight lines. Innovatively employing the Design Constructal Bejan, the model of the actuator disc and Computational Fluid Dynamics (CFD) to search the best geometrical layout of the turbines on a roughless and flat area, focus on higher power extracted by area. To do this, model and predict the wake of behavior is fundamental, as well as know the aerodynamical wakes models and the applicability of the methods employed. The Design Constructal is the source of the simulation’s parameters: spacing between the turbines and the diameter’s ratio. After concluded 64 semi-iterative and iterative simulations, and more than 60 verifies, the best gain in available power per area is 7.37% for the configuration V = 7 m/s; S = 3d; d/D = 0.5; L = 3D. And the gain of 8.48% for the configuration V = 11m/s, s = 3D; d/D = 0.25 & 0.50; L = 0.75D, comparing to the implementation of just 100 meters diameter.

O presente trabalho utiliza o método Constructal Design para desenvolver o estudo numérico da configuração de materiais de alta condutividade térmica em forma de “Y” que minimiza a resistência ao fluxo de calor, quando áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividades são mantidas constantes. Para a solução numérica da equação diferencial da difusão do calor e suas respectivas condições de contorno, foi utilizado o software MATLAB ®, mais especificamente a ferramenta PDETOOL, Partial Differential Equations Tool. O objetivo deste trabalho é a minimização da resistência térmica do sistema gerador de calor com baixa condutividade térmica com a utilização de vias em formato de Y com material de alta condutividade térmica e volume constante, sendo variáveis os comprimentos e espessuras do material dos ramos simples e bifurcados. Todas as possibilidades geométricas foram avaliadas e a geometria ótima foi aquela que conduziu a menor resistência térmica. Duas condições são apresentadas, a primeira tem os ramos e a base da geometria “Y” com igual condutividade térmica. Os resultados para esta configuração mostram que existem valores específicos para os graus de liberdade que minimizam a resistência térmica. Nesse caso, os ramos se degeneraram e a configuração ótima tem a forma de um “V”. A segunda configuração apresenta combinações de condutividade térmica diferentes, para os ramos e a bases. Para estes casos obteve-se um valor otimizado próximo de 1 para a razão entre os comprimentos dos ramos simples e bifurcados, indicando que a configuração otimizada tem realmente a forma de um “Y” o que demonstra a dependência entre a geometria e as condições impostas pelo meio. Embora o design inicial do Y possa assumir diversas configurações, quando comparado o primeiro design com o design final, no caso do Y com iguais condutividades térmicas se conseguiu uma melhora superior a 28% e no caso do Y com condutividades diferentes mais de 30 %. Finalmente, este trabalho mostra que a geometria otimizada é aquela que melhor distribui as imperfeições, isto é, os pontos quentes (pontos de temperatura máxima), o que está de acordo com o princípio da ótima distribuição das imperfeições. / The present work used the method Constructal Design to develop numerical analyses of pathways of high thermal conductivity in "Y" shape which minimizes the thermal resistance when areas occupied by the materials of high and low conductivities are kept constant. For the numerical solution of the differential equations of heat diffusion and their boundary conditions, we used the MATLAB ® software, specifically the PDETOOL tool. The aim was to minimize the thermal resistance of the heat generator system with low thermal conductivity with the use of Y-shaped pathways with high thermal conductivity and constant volume, with variable lengths and thicknesses of material from stem and forked branches. All geometric possibilities were evaluated and the optimal geometry was that which resulted in lower thermal resistance. Two conditions were studied. In the first one the stem and branches of the "Y" have equal thermal conductivity. The results for this configuration show that there are specific values for the degrees of freedom to minimize the thermal resistance. In this case, the branches have degenerated and the optimum configuration has the shape of a "V". The second configuration offers different combinations of thermal conductivity, for branches and bases. For these cases we obtained a optimized value close to 1 for the ratio between the lengths of stem and bifurcated branches, indicating that the optimized configuration actually has the shape of a "Y" which shows the dependency of geometry and condition imposed by the environment. Although the initial design of Y can take various configurations, when compared the first design to the final design, in the case of Y with equal thermal conductivity it this improvement was achieved an improvement greater than 28% and in the case of Y with different conductivities over 30%. Finally, this study showed that the optimized geometry is the one that better distributes imperfections, this is, hot spots (points of maximum temperature), which is in accordance with the principle of the optimal distribution of imperfections.

O presente trabalho utiliza o método Constructal Design para desenvolver o estudo numérico da configuração de materiais de alta condutividade térmica em forma de “Y” que minimiza a resistência ao fluxo de calor, quando áreas ocupadas pelos materiais de alta e baixa condutividades são mantidas constantes. Para a solução numérica da equação diferencial da difusão do calor e suas respectivas condições de contorno, foi utilizado o software MATLAB ®, mais especificamente a ferramenta PDETOOL, Partial Differential Equations Tool. O objetivo deste trabalho é a minimização da resistência térmica do sistema gerador de calor com baixa condutividade térmica com a utilização de vias em formato de Y com material de alta condutividade térmica e volume constante, sendo variáveis os comprimentos e espessuras do material dos ramos simples e bifurcados. Todas as possibilidades geométricas foram avaliadas e a geometria ótima foi aquela que conduziu a menor resistência térmica. Duas condições são apresentadas, a primeira tem os ramos e a base da geometria “Y” com igual condutividade térmica. Os resultados para esta configuração mostram que existem valores específicos para os graus de liberdade que minimizam a resistência térmica. Nesse caso, os ramos se degeneraram e a configuração ótima tem a forma de um “V”. A segunda configuração apresenta combinações de condutividade térmica diferentes, para os ramos e a bases. Para estes casos obteve-se um valor otimizado próximo de 1 para a razão entre os comprimentos dos ramos simples e bifurcados, indicando que a configuração otimizada tem realmente a forma de um “Y” o que demonstra a dependência entre a geometria e as condições impostas pelo meio. Embora o design inicial do Y possa assumir diversas configurações, quando comparado o primeiro design com o design final, no caso do Y com iguais condutividades térmicas se conseguiu uma melhora superior a 28% e no caso do Y com condutividades diferentes mais de 30 %. Finalmente, este trabalho mostra que a geometria otimizada é aquela que melhor distribui as imperfeições, isto é, os pontos quentes (pontos de temperatura máxima), o que está de acordo com o princípio da ótima distribuição das imperfeições. / The present work used the method Constructal Design to develop numerical analyses of pathways of high thermal conductivity in "Y" shape which minimizes the thermal resistance when areas occupied by the materials of high and low conductivities are kept constant. For the numerical solution of the differential equations of heat diffusion and their boundary conditions, we used the MATLAB ® software, specifically the PDETOOL tool. The aim was to minimize the thermal resistance of the heat generator system with low thermal conductivity with the use of Y-shaped pathways with high thermal conductivity and constant volume, with variable lengths and thicknesses of material from stem and forked branches. All geometric possibilities were evaluated and the optimal geometry was that which resulted in lower thermal resistance. Two conditions were studied. In the first one the stem and branches of the "Y" have equal thermal conductivity. The results for this configuration show that there are specific values for the degrees of freedom to minimize the thermal resistance. In this case, the branches have degenerated and the optimum configuration has the shape of a "V". The second configuration offers different combinations of thermal conductivity, for branches and bases. For these cases we obtained a optimized value close to 1 for the ratio between the lengths of stem and bifurcated branches, indicating that the optimized configuration actually has the shape of a "Y" which shows the dependency of geometry and condition imposed by the environment. Although the initial design of Y can take various configurations, when compared the first design to the final design, in the case of Y with equal thermal conductivity it this improvement was achieved an improvement greater than 28% and in the case of Y with different conductivities over 30%. Finally, this study showed that the optimized geometry is the one that better distributes imperfections, this is, hot spots (points of maximum temperature), which is in accordance with the principle of the optimal distribution of imperfections.

Submitted by Raquel Vergara Gondran (raquelvergara38@yahoo.com.br) on 2016-04-11T17:52:57Z No. of bitstreams: 1 tese_daniele.pdf: 1693586 bytes, checksum: a89420a4bb70aea354ae5524f20ac563 (MD5) / Approved for entry into archive by cleuza maria medina dos santos (cleuzamai@yahoo.com.br) on 2016-05-04T20:39:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 tese_daniele.pdf: 1693586 bytes, checksum: a89420a4bb70aea354ae5524f20ac563 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-05-04T20:39:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_daniele.pdf: 1693586 bytes, checksum: a89420a4bb70aea354ae5524f20ac563 (MD5) Previous issue date: 2009 / Ao contrário dos bioprocessos submersos, que são amplamente utilizados e estudados, bioprocessos em estado sólido (BES) ainda são carentes de estudos de modelagem e simulação, o que aponta para o grande potencial de otimização. A dificuldade no aperfeiçoamento de BES está associada a problemas com a dissipação do calor gerado pelas atividades metabólicas do microrganismo durante o crescimento. Esta dificuldade na transferência de calor dentro do biorreator pode levar a zonas de altas temperaturas, que afetam adversamente a produtividade. A modelagem matemática é uma ferramenta essencial para otimizar bioprocessos. Através de modelos matemáticos é possível otimizar as variáveis operacionais para controle do bioprocesso e também analisar o design do biorreator. A otimização geométrica, de acordo com a Teoria Constructal, visa melhorar o desempenho do biorreator através, por exemplo, de minimizar a temperatura no interior do leito a níveis ótimos para o cultivo. O presente trabalho apresenta projetos de biorreatores para BES, todos com geometria otimizada, obtidos a partir de experimentação numérica, através de um software de computational fluid dynamics (CFD). O modelo matemático utilizado era preditivo e significativo ao nível de confiança de 95%. A otimização geométrica foi apresentada em função das condições operacionais do cultivo. Para o biorreator de coluna e leito fixo com paredes isoladas, foram apresentadas as geometrias ótimas em função da velocidade, da vazão e da temperatura do ar de admissão. Para uma temperatura do ar de admissão de 29,5 ºC, as configurações ótimas ((D/L)opt) variaram entre 1,0 e 2,4 para uma faixa de velocidade de admissão do ar entre 0,003 e 0,006 m s-1 . Relacionando com vazão, as razões mostraram-se ótimas entre 2,2 ≤ (D/L) ≤ 2,6 quando operando sob 3,3 a 3,5 10-5 m3 s-1 . Outro biorreator estudado foi o biorreator modular, composto de módulos elementares com geometria otimizada, sendo adaptável a diferentes escalas de produção e de fácil montagem. As configurações ótimas dos módulos de geometria retangular e seção quadrada foram apresentadas para diferentes volumes de módulos, em função da temperatura e da velocidade do ar de admissão. Foi observado que o volume máximo do módulo sem resfriamento externo é 5 L, para uma velocidade do ar de admissão acima de 0,0045 m s-1 e temperatura inferior ou igual 29,0 ºC O último biorreator proposto foi o biorreator hollow, semelhante a um biorreator de coluna e leito fixo, porém com um duto oco inserido nele. O duto interno tem inúmeros furos perpendiculares às suas paredes, mas sua saída é isolada, permitindo que o ar penetre no meio poroso. A geometria otimizada do biorreator hollow foi apresentada em função da fração de volume do duto interno, da razão entre os diâmetros de entrada e saída do duto interno, da vazão e da temperatura do ar de admissão. Em comparação com o biorreator de coluna convencional de mesmas dimensões e sob mesmas condições operacionais, o biorreator hollow apresentou temperatura máxima mais baixa, demonstrando que o projeto é eficiente para resfriar o meio poroso. Concluiu-se, enfim, no presente trabalho, que a geometria é um parâmetro importante e a sua otimização pode beneficiar o desempenho do biorreator. / Unlike the submerged bioprocesses, that was wildly used and studied, solid state bioprocess (SSB) are still poorly studied with respect to modeling and simulation, what indicates a big potential for optimization. The difficulty in the BES improvement is associated to problems with the dissipation of heat generated by metabolic activities of microorganisms during growth. This difficulty in transferring heat from the bioreactor could lead to areas with high temperature, which usually affect the productivity adversely. The mathematical modeling is an essential tool for optimizing bioprocesses. Using mathematical models it is possible to optimize operational variables to control the bioprocess and also explore the design of the bioreactor. The geometric optimization, according Constructal Theory, aims to improve the performance of the bioreactor through, for example, minimizing the temperature inside the bed to optimum levels for the bioprocess. The present work presents designs of bioreactors to SSB, all with optimized geometry, obtained from numerical experiments, by computational fluid dynamics (CFD) software. The mathematical model used has been predictive and significant at .95 level of confidence. The geometric optimization was presented as function of operational conditions of the cultivation. For the column fixed bed bioreactor with isolated wall, the optimal configurations are shown as function of flow, velocity and temperature of inlet air. For a inlet air temperature of 29.5 ºC, the optimal configurations ((D/L)opt) varied between 1.0 e 2.4 to a range of inlet velocity between 0.003 e 0.006 m s-1 . Relating with the volumetric flow, the optimal ratios presented between 2.2 ≤ (D/L) ≤ 2.6 when operating under 3.3 a 3.5 10-5 m3 s-1 . Other studied bioreactor was the modular bioreactor, consisting of elementary modules with optimized geometry, being adaptable to different scales of production and easy assembly. The optimal configurations of the modules with rectangular geometry and square section were shown depending on the volume of modules and the temperature and velocity of inlet air. It was observed that the maximum volume of the module without external cooling was 5 L, for a inlet velocity upper 0.0045 m s-1 and temperature smaller or equal to 29.0 ºC. The last proposed bioreactor was the hollow bioreactor, similar to a column fixed bed bioreactor, but with an empty duct inserted on it. The internal duct has innumerable holes perpendicular to its wall (the inlet port), but its end is insulated, allowing the air penetrates into the porous medium. The optimized geometry of hollow bioreactor was presented in function of the volume fraction of internal duct, the ratio between the diameters of inlet and outlet of the internal duct, the flow rate and temperature of the inlet air. Comparing with the conventional column bioreactor with the same configuration and same operational conditions, the hollow bioreactor showed a lower maximum temperature. This demonstrates that the project is efficient at cooling the porous medium. Finally, it was concluded that the geometry is an important parameter and its optimization can benefit the performance of the bioreactor.

Les transferts de chaleur et de masse sont deux phénomènes physiques à la base de nombreux systèmes thermiques employés dans des secteurs variés tels que l'industrie, le bâtiment ou encore les énergies renouvelables. Les présents travaux de recherche envisagent différentes méthodologies d'optimisation de configurations assurant le transfert de flux de chaleur, couplé ou non à un écoulement fluide, au sens topologique du terme. Les équations aux dérivées partielles décrivant les phénomènes physiques sont discrétisées avec la méthode des volumes finis. La première partie du manuscrit examine successivement trois classes différentes de méthodes: la théorie constructale, les automates cellulaires et les méthodes par pénalisation. Le même cas académique, portant sur le refroidissement d'un volume fini générant de la chaleur, est résolu au moyen de ces trois méthodes, ce qui permet ainsi de comparer les performances de chaque algorithme. Cette comparaison démontre l'ascendant des méthodes par pénalisation sur les deux premiers types, tant structurellement que quantitativement, et permet également d'établir des solutions basées sur des compromis dans le cadre d'optimisations multi-objectifs. Par conséquent, la seconde partie envisage l'application de cette approche à des configurations réalisant des transferts de chaleur conducto-convectifs en régime laminaire. L'utilisation de paramètres de pénalisation en conjonction avec les volumes finis requiert une régularisation de la dissipation visqueuse le long de l'interface fluide/solide. Une approche bi-objectif est développée visant à minimiser la puissance dissipée par le fluide, tout en maximisant l'énergie thermique récupérée sur le système. Les solutions obtenues adoptent des configurations non-triviales qui sont divisibles en quatre classes topologiques différentes. La thèse ouvre ainsi un nouveau champ d'investigation pour l'optimisation d'écoulements couplés à la problématique du transport de chaleur. / Heat and mass transfers are two physical phenomena at the base of many thermal systems involved in various fields, such as industries, buildings or renewable energies. The present researches tackle different optimization methodologies of structures subject to heat transfers, coupled with a fluid flow or not, in the topological sense of the term. The partial differential equations describing the physical phenomena are discretized thanks to the finite volume method. The first part of the thesis successively studies three different classes of approaches: constructal theory, cellular automaton, and the solid isotropic material with penalization method. The same academic case, aiming at the optimal cooling of a finite-size volume generating heat, is tackled by means of these three methods, allowing the comparison of the performances of each algorithm. This comparison shows that the method based on the material penalization performs better than the first two approaches, structurally and quantitatively, and also establishes solutions based on a trade-off in the frame multi-objective optimization. Consequently, the second part applies this method to configurations subject to heat and mass transfers with laminar flows. The use of penalization parameters in conjunction with the finite volume method requires a regularization of the viscous dissipation along the solid/fluid interfaces. A bi-objective approach is implemented in order to minimize the total power dissipated by the fluid, while maximizing the thermal energy recovered from the system. The solutions show non-trivial configurations that can be categorized in four different topological classes. The present researches open a new investigation field for fluid flows coupled with the problem of heat transport.