对一种人工参考介质的渗透率预测进行基准测试：为实现渗透率测量设备的校准而努力

《Polymer Composites》：Benchmarking Permeability Predictions for an Engineered Reference Medium: Toward Calibration of Permeability Rigs

3D打印各向异性多孔介质为纤维介质渗透率预测提供可重复校准基准，验证14组独立数值模型显示平面渗透率（Kxx、Kzz）变异系数较低（0.105-0.205），垂直方向（Kyy）变异显著（0.470-0.790），揭示网格划分与求解器差异对结果影响较大，为复合材料制造中的数字孪生校准提供依据。

　　

摘要

在纤维介质中准确预测渗透率对于模拟液体复合材料的制造过程至关重要，但由于建模假设和数值实现方式的不同，数值预测结果往往存在不一致性。本研究介绍了一种可3D打印的各向异性参考多孔介质，该介质旨在再现纺织增强材料中的主要流动路径和各向异性趋势，同时避免了真实织物的固有变异性。这种理想化的几何结构为渗透率预测提供了一个可控且可重复的基准，尽管它无法捕捉到诸如纤维内部孔隙或纤维表面曲率等微观特征，并且其绝对渗透率值可能高于真实织物。十四个研究团队使用各自的数值方法独立模拟了该介质中的完全饱和、不可压缩、层流和稳态流动。虽然简单的解析模型（例如管道或狭缝中的层流）可以验证个别代码的正确性，但它们不足以描述类似纺织材料的多孔介质的复杂性和各向异性。因此，进行基准测试对于揭示渗透率预测的实际变异性是必要的。结果表明，平面内的渗透率（K_xx：平均值2.75 × 10^?9 m²，标准差CoV = 0.105；K_{zz：平均值6.8 × 10^?10 m²，标准差CoV = 0.205）具有较好的一致性，而垂直于平面的渗透率（Kyy）则表现出较大的变异性（单元格平均值1.40 × 10^?10 m²，标准差CoV = 0.790；周期性组装结构的平均值1.27 × 10^?10 m²，标准差CoV = 0.470）。这些发现（i）证明了使用理想化的增材制造多孔介质作为可重复的校准基准的可行性；（ii）强调了在多个数值平台上进行交叉验证的重要性，以提高对复合材料制造过程中渗透率预测的信心。}

亮点

• 设计的各向异性介质使得渗透率测试具有可重复性。
• 消除了建模过程中的不确定性，并分离出了建模变异性。
• 十四个研究团队的结果揭示了由于网格划分和求解器差异导致的差异。
• 指出了未来标准制定中的关键空白，尤其是在各向异性处理方面。
• 支持使用数字孪生技术对制造用渗透率测试装置进行校准。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究支持的数据可向通讯作者提出合理请求后获取。