Avances en el modelado tridimensional y la caracterización como medio poroso de mallas de hilos entrelazados

Abstract

La presencia de las mallas de hilos entrelazados es muy común en diversos ámbitos de la ingeniería, como la protección de viviendas o invernaderos con ventilación natural, control de la turbulencia o como mecanismo de filtrado. A pesar de que estas mallas han sido estudiadas durante muchos años, su caracterización aerodinámica ha sido siempre basada en aspectos bidimensionales o bajo importantes simplificaciones de su tridimensionalidad. Además, como resaltan publicaciones recientes, estudiar estas mallas bajo la hipótesis de medio poroso conlleva la necesidad de predecir su comportamiento a partir de tres factores: porosidad tridimensional, factor de constricción y tortuosidad. La determinación de estas características no es algo trivial, pues la geometría de hilos entrelazados genera una forma de los poros muy compleja, habiendo sido estudiada en la literatura únicamente bajo importantes simplificaciones. La presente tesis doctoral pretende proporcionar una forma muy precisa, y semi-analítica, de modelar los tres parámetros anteriormente indicados, cerrando el problema del modelado como medio poroso. Esta mejora supone un avance importante para poder predecir características relacionadas con estos parámetros por parte de un fabricante de forma instantánea, así como buscar nuevos diseños sin necesidad de un proceso prueba-error. Por este motivo, los resultados de esta investigación han quedado implementados en dos softwares, Poro3D y AeroScreen, capaces de determinar la porosidad 2D/3D, factor de constricción y tortuosidad, a partir del diámetro y separación de los hilos, espesor de la malla y velocidad del aire. Los resultados de esta tesis doctoral han sido publicados en tres revistas distintas de alto impacto (Q1). Wire/woven screens are present in many practical applications in engineering, such as the protection of homes or greenhouses with natural ventilation, turbulence control or as filter. Although these screens have been studied for decades, their aerodynamic characterization has always been based on two-dimensional aspects or under important simplifications of their three-dimensionality. Furthermore, as outlined in recent papers, studying these screens assuming porous medium mechanics entails the need to predict their behavior based on three factors: 3D porosity, constriction factor and tortuosity. The determination of these characteristics is not trivial, since the geometry of interlaced or woven threads generates a very complex pore shape, which has been studied to date under important simplifications. This PhD thesis aims to provide a very precise (and semianalytical) approach to model the three abovementioned parameters, thus achieving the closure of the porous medium model. This improvement in modeling represents an important contribution, which leads to the ability to predict characteristics related to these parameters by a manufacturer instantly, as well as to propose new designs efficiently. For this reason, the results of this investigation have been implemented in two softwares, Poro3D and AeroScreen, capable of determining 2D/3D porosities, constriction factor and tortuosity, based only on diameter and separation of threads, thickness of the screen, and airflow velocity. The results from this thesis have been published in three different high-impact Q1 journals.