[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文提出了一种理论与实验相结合的模型，利用具有连通毛细管的孔隙双模型（Pore Doublet Model, PDM），预测液态复合模塑（LCM）工艺中微孔和宏孔的形成。通过将Lucas-Washburn方程与来自宏观通道的供给原理相结合，该模型基于毛细力、流速和几何参数预测孔隙率，表明孔隙形成强烈受毛细数、压力和通道几何形状的影响，其中在较高注射压力下宏孔减少，而微孔接近约1%的饱和极限。

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.

研究动机与目标

• 理解并量化由于复杂预制件几何形状和流体动力学导致的液态复合模塑（LCM）工艺中的孔隙形成。
• 研究润湿行为和毛细几何形状对纤维预成型件中气泡形成的影响。
• 开发一种理论模型，结合Lucas-Washburn方程与供给原理，以预测互连毛细网络中的孔隙率。
• 通过在受控流动条件下使用T型接头装置进行实验，验证该模型。

提出的方法

• 在受控流动速率下，对连续相（硅油、甘油/水）和分散相（气体）在T型接头毛细管装置中形成气泡的实验研究。
• 采用孔隙双模型（PDM），其中两个毛细管通过节点或连续连接，代表纱线间和纱线内流动路径。
• 引入来自宏观通道的供给原理，作为储液器以维持向微毛细管的持续流动。
• 通过引入注射压力项，对前端推进进行理论推导，使用改进的Lucas-Washburn方程。
• 计算节点处弯月面位置的差异，基于毛细数和压力确定孔隙类型（微孔或宏孔）。
• 对孔隙率进行参数分析，研究其作为注射压力、毛细管半径比（α）和长度比（β）的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 液体润湿行为（如硅油与甘油/水）如何影响T型接头毛细管中气泡的形状和长度？
• RQ2 来自宏观通道的供给原理在影响微毛细管网络中孔隙形成方面起什么作用？
• RQ3 注射压力和毛细管几何形状的变化如何影响孔隙双模型中微孔和宏孔的形成？
• RQ4 Garstecki标度律在非润湿流体与润湿流体中对气泡长度的预测准确性如何？
• RQ5 在互连毛细管系统中，孔隙率与几何或流动参数之间的定量关系是什么？

主要发现

• Garstecki等人的模型能准确预测润湿液体（如硅油）的气泡长度，但对静态接触角较大的非润湿液体则低估其长度。
• 对于非润湿液体（如甘油/水），静态接触角显著影响气泡形成，表明需要对树脂进行化学表征以改善LCM工艺控制。
• 来自宏观通道的供给原理可减少宏孔形成，且随着注射压力增加，宏孔率降低。
• 微孔率接近约1%的饱和极限，对应于PDM中微毛细管的体积分数。
• 当β < 1时，宏孔率随注射压力增加而减少，而微孔率几乎与压力无关，但随β增加而上升，这是由于总PDM体积减少所致。
• 该模型预测孔隙形成由微毛细管和宏毛细管中弯月面前沿推进的相对时间决定，推进较快的相决定孔隙类型。