[論文レビュー] Theoretical and Experimental Modelling of Bubble Formation with Connected Capillaries in Liquid Composite Moulding Processes

Yanneck Wielhorski, Mohamed Amine Ben Abdelwahed+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2012

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、連結された毛細管を有するPore Doublet Model (PDM) を用いて、液体複合材成形（LCM）プロセスにおけるマイクロボイドおよびマクロボイドの生成を予測する理論的かつ実験的モデルを提案する。Lucas-Washburn方程式とマクロチャネルからの供給原理を統合することで、毛細管力、流量、幾何学的パラメータに基づきボイド率を予測し、ボイド生成が毛細管数、圧力、チャネル幾何学に強く依存することを示している。マクロボイドは高圧注入条件下で減少し、マイクロボイドは約1%の飽和限界に近づく。

ABSTRACT

The void prediction in LCM processes sparks off interest within the composite material industry because it is a significant issue to keep the expected mechanical properties. The liquid properties, the preform geometry and the flow conditions impact the quantity of void entrapped inside the final product. The complex geometry of the reinforcement due to the arrangement of the bundles and the fibres is a key point to understand and quantify this phenomenon. This paper deals with both simple model networks which can occur inside a fabric representing connected capillaries, so-called "Pore Doublet Model (PDM)". A first is considering two capillaries converging on a node (T-junction) and a second is representing two capillaries interconnected with a supplying principle. These configurations can affect locally the evolution of flow fronts. First, experiments of bubble formed in a T-junction device have been performed and studied. Then a theoretical approach was proposed to forecast microvoid and macrovoid formation, by taking into account a supplying principle and arranged Washburn equation in forced filling.

研究の動機と目的

• 複雑なプレフォーム幾何学および流体動力学による液体複合材成形（LCM）プロセスにおけるボイド生成の理解と定量的評価。
• 濡れ性および毛細管幾何学が繊維プレフォーム内での気泡生成に与える影響の調査。
• Lucas-Washburn方程式と供給原理を組み合わせた理論的モデルの構築により、相互に接続された毛細管ネットワーク内のボイド率を予測すること。
• 制御された流量条件下でのT字型接合部デバイスを用いた実験的検証。

提案手法

• 連続相（シリコーンオイル、グリセロール/水）および分散相（気体）の流量を制御したT字型毛細管デバイスにおける気泡生成の実験的調査。
• 2本の毛細管がノードまたは連続的に接続されたPore Doublet Model (PDM) を用い、トウ間およびトウ内流れのパスを表す。
• マクロチャネルからの供給原理を導入し、マイクロチャネルへの流れを維持するための貯留源としての役割を果たす。
• 強制注入圧項を含む修正されたLucas-Washburn方程式を用いて、フロント進展の理論的導出。
• 毛細管数および圧力に基づき、ノードにおけるメニスカス位置の差を計算し、マイクロボイドまたはマクロボイドの種別を決定。
• 注入圧、毛細管半径比（α）、長さ比（β）をパラメータとして、ボイド率のパラメトリック解析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体の濡れ性（例：シリコーンオイル対グリセロール/水）がT字型毛細管内での気泡形状および長さに与える影響は何か？
• RQ2 マクロチャネルからの供給原理がマイクロ毛細管ネットワーク内でのボイド生成に果たす役割は何か？
• RQ3 注入圧および毛細管幾何学の変化がPore Doublet Model内でのマイクロボイドおよびマクロボイド生成に与える影響は何か？
• RQ4 Garsteckiスケーリング則は、非濡れ性流体と濡れ性流体の両方において、気泡長さをどれほど正確に予測できるか？
• RQ5 相互に接続された毛細管系において、ボイド率と幾何学的または流量パラメータとの定量的関係は何か？

主な発見

• Garsteckiらのモデルは濡れ性流体（例：シリコーンオイル）に対して気泡長さを正確に予測するが、静的接触角が大きな非濡れ性流体では過小評価する。
• グリセロール/水のような非濡れ性流体では、静的接触角が気泡生成に顕著に影響を及ぼすことが示され、LCMプロセス制御のための樹脂の化学的特性評価の必要性が示唆される。
• マクロチャネルからの供給原理によりマクロボイド生成が低減され、注入圧が高くなるほどマクロボイド率は減少する。
• マイクロボイド率は約1%の飽和限界に近づき、これはPDM内マイクロチャネルの体積分率に相当する。
• β < 1の場合、注入圧が高くなるほどマクロボイド率は減少するが、マイクロボイド率は圧力にほとんど依存せず、βが増加すると増加する（PDM全体積が減少するため）。
• モデルは、ボイド生成がマイクロおよびマクロ毛細管内でのメニスカス前進の相対的タイミングに支配され、より速く流れ込む相がボイドの種別を決定することを予測している。