Análise de fluxo de água em meios porosos gerados artificialmente por impressão 3D

Abstract

O conhecimento da microestrutura dos meios porosos é essencial para compreender e estimar as propriedades macroscópicas de fluxo, sendo relevante em diversas áreas do conhecimento na engenharia. Esse conhecimento parte da definição de um domínio no qual é possível conduzir simulações de fluxo computacionalmente. Diversas metodologias têm sido exploradas na literatura para gerar este domínio, como a reconstrução de imagens obtidas por microtomografias, simulações de sedimentação de grãos, autômatos celulares, entre outros. Os autômatos celulares, programas baseados em regras simples que apresentam comportamento complexo têm sido cada vez mais utilizados na literatura para representar meios porosos artificiais e a impressão 3D tem sido utilizada como ferramenta para relacionar os conhecimentos teóricos com os práticos, utilizados usualmente na mecânica dos solos. Utilizando uma metodologia para obtenção de autômatos celulares, foram gerados modelos computacionais de solos e dois parâmetros relacionados às características físicas das amostras foram analisados: a porosidade e a permeabilidade. A permeabilidade das amostras foi avaliada numericamente e experimentalmente. As amostras foram produzidas utilizando o método de impressão 3D denominado Fused Deposition Modeling (FDM), sendo proposta uma metodologia para geração das amostras através da análise dos principais parâmetros que influenciam na qualidade das impressões. Foram utilizados modelos auxiliares para calibrar os parâmetros e um filamento solúvel para impressão da rede de poros. Os modelos impressos foram submetidos ao ensaio de permeabilidade à carga constante para avaliação da permeabilidade experimental. A análise visual da estrutura externa dos modelos impressos permitiu observar a semelhança entre os modelos computacionais e os resultados da impressão 3D através do método proposto. A comparação dos valores numéricos de permeabilidade intrínseca, obtidos através de simulações numéricas, e os valores experimentais, permitiu observar diferenças de até 3 ordens de grandeza, o que pode ser um indicativo de ineficiência do método em representar o meio poroso de forma satisfatória.