Recent studies have advocated using the total dissipation rate under topology optimization to realize material designs involving the flow of fluids through porous media. However, these studies decided how to pose the design problem, such as maximizing the total dissipation rate for some situations while minimizing for others, by solving one-dimensional problems and justifying their choices using numerical experiments. The rigor is lacking -- a bottleneck for further scientific advancements to computational material design. This paper provides the missing theoretical justification. We identify four classes of boundary value problems using the adjoint state method and analytically calculate the sensitivity of the total dissipation rate to the permeability field. For two of those classes in which the flow of fluids is pressure-driven, the sensitivity is positive -- the total dissipation rate increases if the medium's permeability increases. While for the other two classes, in which the flow is velocity-driven, the trend is the opposite. These sensitivities provide rigorous answers to the central question: how to pose a material design problem for flow through porous media applications. The impact of our work is multi-fold. First, this study further elevates the role of the dissipation rate in posing well-posed material design problems using topology optimization. Second, besides the theoretical significance, the results benefit computational scientists and practitioners to realize optimal designs. Third, given their simplicity yet far-reaching impact, both the approach and results possess immense pedagogical value.


翻译:最近的研究主张在地形优化下采用整体散射率,以实现涉及流体通过多孔媒体流动的材料设计。然而,这些研究决定了如何提出设计问题,例如,通过解决一维问题,并用数字实验来说明其选择的道理,从而最大限度地提高某些情况的总散射率,同时最大限度地减少另一些情况,解决一维问题,并用数字实验来说明其选择的道理。缺乏紧固度 -- -- 这是进一步科学推进计算材料设计的瓶颈。本文提供了缺失的理论理由。我们用联合状态方法确定四类边界值问题,并用分析方法计算总散射率对渗透性媒体的敏感性。对于其中两类,流体液流动是压力驱动的,敏感度是积极的。对于其中两类,当介质的渗透度增加时,总散射率就会增加。对于其他两类,流动是速度驱动的,趋势则相反。这些敏感性为核心问题提供了严格的答案:如何通过多孔化媒体应用造成物质设计问题。我们的工作影响是多倍的。首先,这项研究将深度的理论优化程度提升了它们的作用,而后,其最深层级化的精确的计算结果则会取代了其深度的精确的计算结果。

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