Fluid flow modeling for porous materials design

This thesis explores, in collaboration with Procter&Gamble, modeling and simulation capabilities for the development of products made of Airlaid materials. In particular, it aims at building a numerical model that predicts metrics used to assess the performance of products. Among them, it focuses on stain size and speed of acquisition, which describe the distribution of liquid and the velocity of absorption of fluid inside the products, respectively. To date, these analyses are performed by industries mainly empirically and are therefore costly approaches. For this reason, the intent of this work is to provide a tool that allows screening quickly and cheaply between different options of product, without the need of real prototypes or laboratory experiments. This capability drives a higher speed of innovation in material development and the ability to guide new design ideas. This model leverages the study of fluid flow inside the product, modeled as a stack of various porous media. The software FEFLOW, developed by DHI, is used to solve numerically the equation governing the two-phase (saline solution and air) fluid flow inside the layers composing the product. By post-processing the numerical solutions, we obtain stain size and speed of acquisition. Finally, the model is validated comparing the numerical predictions of these two metrics against the analogous experimental laboratory results. Exploiting this model, we can now predict stain size and speed of acquisition in stack-ups of different homogeneous and non-swelling layers of Airlaid materials. Additionally, through a further extension to hydrophobic top layers, which are common in many real and popular products, we are also able to employ the model for analyses that drive actual value to the business of the company.

Questa tesi studia, in collaborazione con Procter&Gamble, modelli matematici e numerici per lo sviluppo di prodotti contenenti materiali Airlaid. Nello specifico, ha l'obiettivo di costruire un modello numerico che sia in grado di predire metriche per la valutazione dei prodotti. In particolare, si concentra sulla dimensione della macchia e sulla velocità di acquisizione, che descrivono rispettivamente la distribuzione del liquido e la velocità di assorbimento del fluido nel materiale. Fino ad oggi questi studi sono portati a termine dalle aziende in modo prevalentemente sperimentale, e sono, conseguentemente, delle analisi costose. Per questo motivo lo scopo di questo lavoro è di fornire uno strumento che permetta di vagliare diverse opzioni di prodotto velocemente e in maniera economica, senza il bisogno di prototipi fisici o di esperimenti in laboratorio. L’acquisizione di questa competenza comporta una maggiore velocità di innovazione nello sviluppo dei materiali e la possibilità di condurre nuove idee di design. Il modello elaborato in questa tesi si basa sullo studio del flusso di fluido in un prodotto, modellato come una pila di diversi materiali porosi. Il software FEFLOW, sviluppato da DHI, è usato per risolvere numericamente le equazioni che governano il flusso bifase (soluzione salina e aria) negli strati che compongono il prodotto. A partire dagli output di queste simulazioni, si ottiene la definizione numerica della dimensione della macchia e di velocità di acquisizione. Infine, il modello è validato comparando le predizioni numeriche delle due metriche con gli analoghi risultati ottenuti sperimentalmente in laboratorio. Usando questo modello siamo in grado di predire la dimensione della macchia e la velocità di acquisizione in pile di vari strati di materiali Airlaid omogenei e non-swelling (ovvero che non si gonfiano). Inoltre, grazie a un'ulteriore estensione agli strati superficiali idrofobici, ricorrenti in diversi prodotti molti comuni, possiamo anche usare il modello per delle analisi che portano effettivo valore aggiunto al business dell'azienda.