Numerical simulation of liquid imbibition in a system of parallel channels

The process of liquid imbibition occurs non-uniformly in nonwoven sorptive materials. It is a result of complexity and nonhomogeneity of sorbent structure. The voids between fibers in nonwoven material appear in a form of parallel-channels’ system. The width between fibers (basic channel) was assumed as equal to the average fiber diameter, df, and the width of parallel channel is 2, 5, 10, and 20 times greater. The simulations of imbibition process were performed in Comsol Multiphysics 5.0 using the Laminar Two-Phase Flow, Level-Set application mode. The obtained results for two-channel systems depend strongly on the width between fibers. The increasing of width caused the prolongation of time needed to reach the assumed maximal height. This phenomenon can be explained by changes of pressure in the channel-reservoir boundary. Additionally, the obtained results provided the data for tracing imbibition processes during their start-up phase.

W przypadku włókninowych materiałów sorpcyjnych proces nasiąkania cieczą następuje nierównomiernie. Wynika to ze złożonej i nichomogenicznej struktury sorbentu. W pracy zaprezentowano wyniki badań szybkości procesu imbibicji w zależności od rozmiarów równoległych kanałów reprezentujących puste strefy w strukturze sorbentu. Przyjęto, że szerokość podstawowego kanału jest równa średniej średnicy włókna, a szerokość kanału równoległego jest 2, 5, 10 i 20 razy większa. Wykonano numeryczne symulacje procesu imbibicji korzystając z programu Cosmol Multiphysics 5.0 stosując moduł umożliwiający śledzenie przepływów dwufazowych - Laminar Two-Phase Flow, Level-Set. Wyniki symulacji wykazały wpływ stosunku szerokości równoległych kanałów na prędkość wznoszenia się w każdym z nich. Zjawisko to można wyjaśnić jako wywołane zmianami wartości ciśnienia na wlocie do systemu kanałów. Ponadto wyniki symulacji dostarczyły danych przydatnych do śledzenia procesów imbibicji w ich początkowej fazie.