Non-Newtonian fluid flow in Airlaid materials

This thesis, carried out in collaboration with Procter & Gamble, aims to develop a modeling and simulation tool to improve the development of products made of Airlaid materials. The objective is to derive a numerical model that predicts some prescribed performance metrics for a specific class of porous media that interacts with a non-Newtonian fluid. The current empirical methods used in industry are indeed time-consuming and resource-intensive. Therefore, the primary goal of this work is to derive an applicable tool that boosts the product screening capabilities among various options by decreasing the number of real prototypes and laboratory experiments required. This will promote faster and more cost-effective innovation in material development processes. To achieve this goal, we propose a model for non-Newtonian fluid flow inside a product consisting of different porous media. We suggest three approaches to treat the interaction between the material and non-Newtonian fluid, successfully validating one against laboratory measurements. We use the 3D finite element solver FEFLOW to numerically solve equations while leveraging the GeoDict environment to create virtual materials for the analysis.

La tesi proposta mira, in collaborazione con Procter & Gamble, a creare uno strumento matematico e numerico al fine di migliorare lo sviluppo di prodotti realizzati con materiali Airlaid. L'obiettivo è derivare un modello numerico in grado di prevedere alcune metriche definite per una classe specifica di mezzi porosi che interagiscono con un fluido non Newtoniano. I metodi empirici attualmente impiegati nel campo industriale sono infatti dispendiosi in termini di tempo e risorse, pertanto l'obiettivo primario di questo lavoro è quello di sviluppare uno strumento che permetta di vagliare diverse opzioni di prodotti in maniera efficiente, riducendo il numero di prototipi ed esperimenti in laboratorio necessari. Questo permette di promuovere un'innovazione più rapida ed economica nei processi di sviluppo dei materiali. Per raggiungere questo obiettivo, viene qui proposto un modello per il flusso di fluidi non Newtoniani all'interno di un prodotto composto da diversi strati di mezzi porosi. Saranno suggeriti tre approcci per trattare l'interazione tra il materiale e il fluido non Newtoniano e uno di questi verrà validato con successo tramite misure di laboratorio. Il risolutore 3D ad elementi finiti FEFLOW viene impiegato per risolvere numericamente le equazioni mentre il software GeoDict viene utilizzato per ricreare virtualmente i prodotti studiati.