Numerical and experimental analysis of a RVE condition for heterogeneous materials using BEM and thermal images

Análisis numérico y experimental de una condición RVE para materiales heterogéneos utilizando BEM e imágenes térmicas

Este trabajo se enfoca en el estudio numérico y experimental de los efectos de la conductividad térmica en materiales heterogéneos. El análisis numérico se basa en la formulación de Método de los Elementos de Contorno (MEC) basada en la técnica de subregiones con el fin de simular un dominio bidimensional con inclusiones de material distribuidas aleatoriamente. Las condiciones de contorno fueron seleccionadas adecuadamente con el fin de obtener condiciones de conductividad térmica unidireccional. La Teoría de los Campos Medios (TCM) es aplicada para determinar el elemento de volumen representativo (EVR) para los casos estudiados. Finalmente, el coeficiente de conductividad térmica efectivo es obtenido a partir del EVR. Para la verificación de los resultados numéricos obtenidos es propuesto un procedimiento experimental basado en imágenes térmicas. El montaje experimental replica la condición de flujo de calor unidireccional en una placa de acero. La conductividad térmica efectiva experimental es obtenida a partir del análisis de las imágenes térmicas del campo de temperatura resultante en la superficie de la placa las cuales fueron tomadas con una cámara infrarroja. La comparación entre los resultados numéricos y experimentales resultó en una diferencia de 3% entre los dos resultados, apuntando el buen desempeño de la metodología propuesta.

INTRODUCCIÓN

Ante los vertiginosos avances tecnológicos actuales, el estudio y desarrollo de nuevos materiales de alto rendimiento ha sido un campo de investigación muy solicitado últimamente. El desarrollo de nuevos materiales "a medida" optimizados para aplicaciones específicas requiere la comprensión de la composición del material y los efectos de su microestructura en sus propiedades macroscópicas.

A nivel microestructural, los materiales de ingeniería son típicamente heterogéneos con muchos elementos constitutivos posibles, cada uno con sus propias propiedades físicas. Un elemento de volumen, definido por la escala de observación, puede contener sólo unos pocos microconstituyentes. En estos casos, las propiedades físicas efectivas de este elemento pueden estar muy influidas por las propiedades individuales de los microconstituyentes que contiene.

En [1] se presenta una aplicación industrial del concepto de propiedades efectivas. En este trabajo se propone un estudio de las conductividades térmicas efectivas de los materiales porosos aplicado a la fabricación de Paneles de Aislamiento al Vacío (PVA) utilizando modelos de celdas simplificados. Considerando también otros mecanismos de transferencia de calor, como las conductividades gaseosa y radiativa, los modelos matemáticos elaborados proporcionaron resultados relativamente precisos en comparación con los datos experimentales para cada tipo de material estudiado, excepto para los polvos.