Experimental characterization and modeling of the permeability of fibrous preforms using gas for direct processes application.

par Yi Hou

Thèse de doctorat en Mécanique et Ingénierie

Sous la direction de Sylvain Drapier.

Soutenue le 25-10-2012

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 .

Le président du jury était Fabrice Schmidt.

Le jury était composé de Sylvain Drapier, Fabrice Schmidt, Véronique Michaud, Simon Bickerton, Christophe Binétruy, Sébastien Comas-Cardona.

Les rapporteurs étaient Véronique Michaud, Simon Bickerton.

  • Titre traduit

    Caractérisation et modélisation expérimentale de la permeabilité au gaz de preformes fibreuses pour les procédés d'élaboration directe.


  • Résumé

    Une méthodologie pour mesurer la perméabilité plane d’un milieu fibreux par un flux d’air transitoire est développée. Le procédé, basé sur la mesure de pression d’un gaz aux bornes du système, au cours d’un écoulement transitoire, est pratique, propre et rapide, et permet d'éviter l'utilisation d'un débitmètre de gaz et offre la possibilité d'étudier le transport d’un gaz à l'intérieur du milieu fibreux.Le transport du gaz dans un milieu poreux fibreux est décrit par plusieurs modèles suivant les différents régimes d'écoulement. La perméabilité, dépendant uniquement de l’architecture fibreuse, est déterminée par une méthode inverse, en ajustant les résultats de la simulation aux données expérimentales obtenues par une hausse ou une chute de la pression. Les résultats pour la perméabilité visqueuse Kv des tissus sergés des verre/carbone (Kv allant de 10-11 à 10-10 m2) mesurée à l'aide d’un gaz corrèlent bien à la perméabilité mesurée avec des techniques d'injection ou compression utilisant un liquide. L'écart avec la loi de Darcy causé par le glissement du gaz sur les tissus à faible perméabilité (tissus unidirectionnels de carbone: Kv de 10-14 à 10-12 m2) est analysé et un paramètre lié au tissu montre une dépendance avec la perméabilité, avec une tendance similaire au paramètre de Klinkenberg utilisé pour les sols et les roches.Les erreurs expérimentales dues à des dimensions, à l’effet thermique, à la variation de pression, à la manipulation des échantillons, et à du gaz emprisonné sur les bords sont analysés. Il en ressort que la sensibilité des capteurs de pression et des volumes de gaz piégés sur les bords sont les facteurs les plus importants.La mise en place d’une méthode permettant une mesure directe de la perméabilité à l’aide d’un gaz du tenseur 2D de perméabilité est proposée pour les problèmes de gaz piégés sur les bords. Les expériences simulées montrent que les mesures basées sur la pression mesurée à trois positions pourraient fournir des résultats fiables et précis pour des tissus avec des rapports d’anisotropie perméabilité (K1/K2) allant de 0,1 à 10, et avec des orientations principales quelconques.


  • Résumé

    A methodology to measure in-plane permeability of fibrous media using a transient one dimensional air flow is developed. The method, based on the measurement of gas pressure at the boundaries throughout the transient flow, is convenient, clean and fast, avoids usage of a gas flow meter and offers a way to study the gas transport within fibrous media. The gas transport through fibrous porous media is described by several models to comply with different flow regimes. The permeability, only depending on the fibrous structure, is determined by inverse method, fitting the simulation results to the experimental data obtained using rising or dropping pressure methods. The results of viscous permeability Kv of Glass/Carbon Twill Woven fabrics (viscous permeability Kv ranging from 10-11 to 10-10 m2) measured using gas match well the permeability measured with liquid compression and injection techniques from previous works. The deviation from Darcy's law caused by gas sliding effect on low permeability Carbon Uni-Directional fabrics (Kv from 10-14 to 10-12 m2) is analyzed and a related parameter of fabric material shows a dependence in permeability, with a similar trend as the Klinkenberg sliding parameter in soils and rocks.The experimental errors due to dimensions, thermal effect, pressure variation, sample handling, and trapped gas at boundaries are analyzed. It comes out that the sensitivities of pressure sensors and trapped gas volumes at the boundaries have the most important effects. A design for 2D measurement using gas to obtain 2D permeability tensor in one single test is proposed to avoid the issues of trapped gas at boundaries. Simulated experiments show that the measurements based on pressure measured at three proposed locations could provide robust and accurate results for fabrics of anisotropic permeability ratios (K1/K2) ranging from 0.1 to 10, with various principal permeability direction orientations.


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