Permeability modeling and eletric-hydraulic analogy for undirectional tows

Abstract

This study investigates the permeability of fiber tow domains using ANSYS Fluent simulations and an approximation method based on an electric-hydraulic analogy derived from Darcy's Law and Ohm's Law. The permeability of a hexagonally distributed fiber structure is calculated using a representative unit cell modeled in ANSYS Fluent. Fibers are modeled as solid regions, allowing resin to flow through the spaces between them. Permeability is determined by applying Darcy's Law to the computed flow rate, showing strong agreement with Gebart's analytical solution. In a larger scale, the overall permeability is determined by simulating resin flow through a unit cell of ten fiber tows, where tows are treated as porous regions with resin flowing through both inter-tow and intra-tow channels. A variety of tow distribution scenarios are examined, including manually designed extreme cases and random distributions generated in MATLAB, emphasizing the impact of tow spacing perpendicular to the flow direction on flow channels and permeability. The permeability approximation method aligns with simulation results, while significantly reducing computational cost and time. Key factors such as domain size, tow spacing, and intra-tow porosity are analyzed. Comparisons between simulated and approximated permeabilities highlight the limitations of the method under varying domain sizes and intra-tow porosities. The results show that the approximation improves in accuracy as intra-tow porosity decreases and domain height increases, due to the predominance of resin flow in inter-tow channels. This study's primary contribution is offering a scalable and efficient permeability prediction approach applicable to a range of tow configurations, providing valuable insights for optimizing resin flow in composite manufacturing processes.

Bu çalışma, kompozit fiber demetlerinde geçirgenlik değerini ANSYS Fluent simülasyonları ve Darcy Kanunu ile Ohm Kanunu'ndan türetilen bir elektrik-hidrolik analoji yöntemi kullanarak incelemektedir. Altıgen dağılıma sahip fiberlerin geçirgenliği, ANSYS Fluent'te modellenen temsili bir birim hücre aracılığıyla hesaplanmıştır. Simülasyonda fiberler katı bölge olarak modellenerek reçinenin fiberler arasından akışına izin verilmiştir. Geçirgenlik değeri, Darcy Kanunu'nu kullanarak simülasyondan elde edilen akış hızı üzerinden hesaplanmış ve analitik Gebart çözümüyle karşılaştırıldığında uyumlu sonuçlar verdiği görülmüştür. Daha büyük ölçekte, kompozit malzeme geçirgenliği, on fiber demetinden oluşan bir birim hücredeki reçine akış simülasyonu ile hesaplanmıştır. Buradaki demetler gözenekli bölgeler olarak tanımlanmış ve demet içinde ve dışındaki reçine akışına izin veirlmiştir. Çeşitli demet dağılım senaryoları incelenmiştir. Senaryolar arasında manuel olarak tasarlanmış ekstrem durumlar ve MATLAB ile oluşturulan rastgele dağılımlar kullanılmıştır. Bu senaryolar, akış yönüne dik demetler arası boşluğun, akış kanalları ve geçirgenlik üzerindeki etkilerini incelemek için tasarlanmıştır. Elektrik-hidrolik analoji ile yapılan geçirgenlik tahmini, simülasyon sonuçlarıyla uyum göstermiştir. Bu yöntem, bilgisayar hesaplama süresi ve maliyetini büyük ölçüde azaltmaktadır. Model alanı boyutu, demetler arası boşluk ve demet içi gözeneklilik gibi faktörler analiz edilmiştir. Simülasyon ve tahmini sonuçlar karşılaştırıldığında, model boyutlarının ve demet içi gözeneklilik değerlerinin tahmini sonuçları etkilediği gözlemlenmiştir. Sonuçlar, demet içi gözeneklilik azaldıkça ve alan yüksekliği arttıkça, tahmin yönteminin doğruluğunun arttığını göstermektedir. Bu durum, reçinenin büyük ölçüde demetler arası kanallardan akmasından kaynaklanmaktadır. Bu çalışmanın en büyük katkısı, farklı fiber demeti dağılımlarına uygulanabilmesi, ölçeklendirilebilir olması ve verimli bir geçirgenlik tahmin yöntemi sunmasıdır. Bu sayede, kompozit üretim süreçlerinde reçine akış davranışının optimize edilmesine katkı sağlamaktadır.