Diseño de un stu con fluidos dilatantes
- Autores: Andrés Gómez Morón
- Directores de la Tesis: María Jesús López Boada (dir. tes.), Beatriz López Boada (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Felipe Jiménez Alonso (presid.), Daniel García-Pozuelo Ramos (secret.), Juan Antonio Cabrera Carrillo (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
En los últimos años, la investigación acerca de suspensiones dilatantes se ha convertido en una potencial área de interés gracias a sus singulares características como fluidos no newtonianos. La principal propiedad de estos materiales, en la que la tensión cortante aumenta significativamente con el incremento de la velocidad de cizalla, es una de sus particularidades más relevantes y la razón por la que los fluidos dilatantes se han convertido en viables candidatos para su utilización en diversas aplicaciones comerciales. Otra importante propiedad de estos fluidos es la reversibilidad del efecto de dilatancia cuando no es aplicado ningún esfuerzo sobre la suspensión.
Aunque en la actualidad existe un enorme interés sobre el estudio de las distintas propiedades de estos fluidos, el mecanismo por el que este fenómeno ocurre en suspensiones coloidales no ha sido manifiestamente analizado hasta las últimas décadas. Se han propuesto diversas teorías que aún hoy en día generan controversia entre los distintos investigadores. Por otra parte, el estudio de los factores que afectan al comportamiento reológico de los fluidos dilatantes es clave para conocer su mecanismo. En función de los diferentes parámetros de estos factores, se puede estudiar y clasificar las variaciones del comportamiento dilatante.
La aparición del régimen dilatante en suspensiones fue inicialmente identificado como un problema que complicaba y limitaba diferentes procesos industriales que implicaban grandes concentraciones de partículas y altas velocidades de cizalla. En la actualidad, el principal campo de estudio y aplicación de estos fluidos es en chalecos de protección antibalas flexibles debido a su capacidad de absorción de grandes cantidades de energía producidas por el impacto de proyectiles a alta velocidad. Además, el uso de fluidos dilatantes también está siendo desarrollado en otras áreas como dispositivos de disipación de energía (amortiguadores o estructuras tipo sándwich), frenos de fricción y protección de baterías de litio.
Por su parte, los denominados dispositivos de transmisión de choque o más conocidos por su denominación en inglés como "Shock Transmission Units'' (STU), son elementos mecánicos destinados a la unión de componentes estructurales. Estos dispositivos, en función de las solicitaciones, permiten que se produzca un comportamiento mixto actuando como una unión elástica y una unión rígida. Ante la acción de determinadas cargas lentas o bajo condiciones normales de servicio, este dispositivo actúa estructuralmente como una deslizadera, facilitando el movimiento relativo de los elementos conectados entre sí. Ante la acción de cargas bruscas repentinas, como son cargas sísmicas o impactos, el dispositivo actúa estructuralmente como un empotramiento. La ventaja de este comportamiento radica en que, por sus características, permite ciertos movimientos provocados entre las estructuras donde se encuentra colocado (como pueden ser las dilataciones o contracciones térmicas), facilitando los desplazamientos producidos por estos movimientos y reduciendo así los esfuerzos transmitidos. Sin embargo, cuando actúan cargas repentinas (como pueden ser movimientos sísmicos o condiciones meteorológicas extremas), dónde resulta más conveniente que la estructura sea capaz de soportar un mayor esfuerzo en lugar de que se faciliten los desplazamientos entre los elementos conectados, el dispositivo se comporta como una unión rígida.
Desde la aparición de este tipo de dispositivos, se han utilizado ampliamente en estructuras de tipo puente, con el objetivo de protegerlos ante aceleraciones repentinas provocadas por eventos adversos. Sin embargo, el comportamiento y la robustez de estos dispositivos hacen posible su uso en otro tipo de aplicaciones estructurales en la que se necesite una unión rígida ante impactos repentinos. Además, el uso de suspensiones dilatantes como fluido de trabajo de estos elementos puede resultar de gran interés para la mejora de su comportamiento bajo solicitaciones extremas.
En esta Tesis Doctoral se presenta un modelo teórico-analítico propuesto para la caracterización del comportamiento del paso de un fluido dilatante a través del orificio anular en un dispositivo STU. Para este fin, también se han analizado con profundidad determinadas características de este tipo de fluidos.
En relación con la realización de estudios de caracterización de los fluidos dilatantes para analizar los diversos parámetros de influencia en su comportamiento, se han llevado a cabo tres estudios diferentes. En ellos, se ha analizado la correlación entre ensayos rotacionales y oscilatorios, la respuesta de las muestras bajo diversas temperaturas y concentraciones de partículas y, por último, la respuesta no lineal de la suspensión bajo ensayos de barrido de amplitud de deformación. Las aportaciones más relevantes han sido:
1. En los ensayos rotacionales, tanto la viscosidad crítica como máxima son inversamente proporcionales al valor de la concentración. Además, la tensión máxima alcanzada en el régimen dilatante muestra una fuerte dependencia de la concentración, al contrario de lo que postulaban algunos estudios previos con fracciones másicas de fluidos dilatantes menores a las fabricadas en el estudio realizado.
2. En los ensayos oscilatorios, la regla de Cox-Merz modificada no ofrece una buena correlación con los ensayos rotacionales. Sin embargo, se ha propuesto una nueva correlación, mediante el uso de ensayos de barrido de amplitud, que ha mejorado la superposición de ambos ensayos para todos los regímenes del fluido dilatante y ha ofrecido una mejora del 34.9 % en la correlación con respecto a la regla de Cox-Merz modificada.
3. En los ensayos oscilatorios, es la componente elástica del material la que marca el comienzo y el final del endurecimiento por deformación del régimen dilatante. Además, en las concentraciones más altas estudiadas (12.5 y 15 %), cercanas a la zona jamming del material, la pendiente del régimen post-dilatante mantiene una misma tendencia al aumentar la temperatura del ensayo.
4. Con el aumento de la temperatura de una misma muestra puede cambiar la clasificación del mecanismo de dilatancia por el que se produce el comportamiento no newtoniano. Se ha identificado que, para una muestra con la misma concentración, en función de la temperatura, puede cambiar su clasificación, pasando de suspensión dilatante discontinua a continua o desde shear jamming a suspensión dilatante discontinua.
5. En los análisis de los módulos elásticos y coeficientes viscosos dinámicos no lineales, la frecuencia del ensayo no afecta en el cálculo de los mismos. Este hecho es relevante debido a la dificultad ocasionada en algunos reómetros para la obtención de los tres regímenes característicos de fluidos dilatantes, dadas las limitaciones en la amplitud de deformación aplicada y, por tanto, en el análisis de parámetros LAOS en el rango correspondiente.
6. Mediante el análisis de las curvas de Lissajous-Bowditch se ha podido observar como a medida que aumenta la concentración, la deformación de la elipse provocada por los armónicos superiores se agudiza, pero mantiene una misma tendencia en la forma de la onda similar en todas ellas. Este hecho puede servir para reforzar la idea de que, aunque la clasificación de los fluidos dilatantes se haga en función de la definición de la pendiente de viscosidad, el mecanismo por el que se origina se mantiene independiente a la concentración.
Por su parte, con relación al desarrollo de un modelo teórico que caracterice el comportamiento de paso de fluidos dilatantes:
1. Se ha propuesto un modelo analítico que caracteriza el comportamiento de paso de los fluidos dilatantes a través de un orificio, basándose en las propiedades de los mismos y las características geométricas de un dispositivo de transmisión de choque (STU). En la propuesta, se ha partido de las ecuaciones de gobierno de Navier-Stokes suponiendo un flujo mixto en el interior del orificio. El modelo propuesto está basado en una simplificación del orificio del STU mediante placas paralelas.
2. Se ha validado el modelo de placas paralelas propuesto mediante la comparativa con los resultados experimentales, obtenidos mediante un diseño de un dispositivo STU prototipo. Para ello, se ha resuelto el modelo mediante algoritmos genéticos, utilizando los parámetros del STU prototipo y optimizando el caudal que circula por el orificio. Con ello, se ha comparado el valor obtenido de presión en el interior del cilindro, obteniendo un error máximo entre el modelo y los resultados experimentales de un 9.49 %. Además, mediante la obtención de la presión dentro del cilindro, puede calcularse la fuerza de reacción teórica del dispositivo.
3. La aparición de errores relativos mayores a medida que aumenta la velocidad del pistón se justifica por la predominancia del régimen post-dilatante del fluido en el interior del orificio, provocado por las grandes velocidades del fluido que se alcanzan. En este régimen es donde la caracterización del fluido mediante el reómetro resulta más compleja debido a problemas de deslizamiento entre platos y el efecto de banda de corte. Sin embargo, el error máximo alcanzado se mantiene por debajo de un 10 %, lo que significa que el modelo se ajusta de manera óptima a los resultados experimentales.
4. Hasta el momento, no existe ningún modelo analítico que permita estimar el perfil de velocidades en el interior del orificio para fluidos dilatantes. Con ello, se logra un gran avance en el estudio del comportamiento de estos fluidos, pudiendo ser utilizado en diversas aplicaciones. Además, el modelo analítico ha sido validado mediante su comparativa con los ensayos experimentales, algo que no se viene realizando en la mayor parte de los modelos propuestos en la literatura.
