Investigación del flujo de fluidos a través de madera de coníferas y latifoliadas acoplando análisis de imágenes 3D con simulaciones numéricas

Abstract

Through accurate three-dimensional images of wood, the relationship between microstructure and resistance to mass flow in the porous domain is analyzed. This includes the characteristics of the lumens, specific surface area of the volume, volume fractions (porosity), porous connectivity, geometric tortuosity, and wall thickness. Continuous flow simulations are used to obtain local velocities and pressure drops, given that the flow resistance of the porous phase in a material can be expressed by the pressure drops of the flow in it. The objective is to determine the characteristic pressure drops of the cellular elements corresponding to different values of absolute permeability. By identifying the elements that control experimentally validated permeability, potential bottlenecks for the growth of interface nuclei in the flow stream that give rise to throttling are located. For a pressure infiltration process, it is essential to know the behavior at the periodic critical points in the section of the conduits in the porous phase, as they could lead to pressure drops close to the vapor pressure of the fluid. This phenomenon in wood is unclear due to the experimental challenges involved in studying it under pressure processes and because it is a complex heterogeneous porous medium on a smaller scale than the phenomenon in pipes. Therefore, the scaling and approach used in the simulation require comparing macroscopic parameters such as permeability with experimental values. It would be expected that the flow trajectories in a regime established in the simulation would be more realistic if the estimated permeability is approximately equal to the experimental value. In this research, the Darcy regime is used, as good approximations of the flow field with Stokes flow have been demonstrated.

A través de imágenes tridimensionales fieles de la madera se analiza la relación de la microestructura con la resistencia al flujo masivo en el dominio poroso. Se incluyen las características de los lúmenes, superficie específica del volumen, fracciones de volumen (porosidad), conectividad porosa, tortuosidad geométrica y espesor de pared. Con las simulaciones de flujo continuo se obtienen las velocidades y las caídas de presión locales, dado que la resistencia al flujo de la fase porosa en un material puede ser expresada con las caídas de presión del flujo en este. El objetivo es determinar las caídas de presión características de los elementos celulares correspondientes a distintos valores de permeabilidad absoluta. Con la identificación de los elementos que controlan la permeabilidad validada experimentalmente, se localizan los pasos de garganta potenciales para el crecimiento de núcleos de interfaces en la corriente de flujo que dan origen al estrangulamiento. Para un proceso de infiltración por presión es primordial conocer el comportamiento en los puntos críticos periódicos en la sección de los conductos en la fase porosa ya que podrían llegar a propiciar caídas de presión cercanas a la presión de vapor del fluido. Este fenómeno en la madera es poco claro, por los retos experimentales para su estudio bajo procesos de presión y por ser un medio poroso complejo heterogéneo de menor escala al fenómeno en tuberías. Por lo anterior, el escalado y el enfoque empleado en la simulación precisan comparar los parámetros macroscópicos como la permeabilidad con valores experimentales. Se esperaría que las trayectorias de flujo en un régimen establecido en la simulación sean más realistas si la permeabilidad estimada es aproximadamente igual a la experimental. En la presente investigación se utiliza el régimen de Darcy, ya que se han demostrado buenas aproximaciones del campo de flujo con el flujo de Stokes.