Multiscale modeling of effective elastic properties of fluid-filled porous materials - Archive ouverte HAL Access content directly
Journal Articles International Journal of Solids and Structures Year : 2019

Multiscale modeling of effective elastic properties of fluid-filled porous materials

Modélisation multi-échelles des propriétés élastiques effectives de matériaux poreux remplis de fluide

Abstract

Fluid-filled porous materials are widely encountered in natural and artificial systems. A comprehensive understanding of the elastic behavior of such materials and its dependence on fluid diffusion is therefore of fundamental importance. In this work, a multiscale framework is developed to model the overall elastic response of fluid-filled porous materials. By utilizing a two-dimensional micromechanical model with porosity at two scales, the effects of fluid diffusion and the geometric arrangement of pores on the evolution of effective properties in fluid-filled porous materials are investigated. Initially, for a single-porosity model the effective elastic properties of the dry and fluid-filled porous materials with ordered pores are obtained theoretically by considering a geometrical factor, which is related to the distribution of pores in the matrix. Model predictions are validated by finite element simulations. By employing a double-porosity model, fluid diffusion from macro- to micro-scale pores driven by a pressure gradient is investigated, and the resulting time-dependent effective elastic properties are obtained for both constant pressure and constant injection rate conditions. It is found that the presence and diffusion of pressurized pore fluid significantly affect the elastic response of porous materials, and this must be considered when modeling such materials. It is expected that the proposed theoretical model will advance the understanding of the fluid-governed elastic response of porous materials with implications towards the analysis of geophysical, biological and artificial fluid-filled porous systems. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2018.11.028
Les matériaux poreux remplis de fluide sont largement rencontrés dans les systèmes naturels et artificiels. Une compréhension globale du comportement élastique de tels matériaux et de sa dépendance à la diffusion de fluide revêt donc une importance fondamentale. Dans ce travail, un cadre multi-échelles est développé pour modéliser la réponse élastique globale des matériaux poreux remplis de fluide. En utilisant un modèle micromécanique bidimensionnel avec une porosité à deux échelles, on étudie les effets de la diffusion de fluide et la disposition géométrique des pores sur l'évolution des propriétés effectives dans les matériaux poreux remplis de fluide. Initialement, pour un modèle à une seule porosité, les propriétés élastiques effectives des matériaux poreux secs et remplis de fluide à pores ordonnés sont obtenues théoriquement en considérant un facteur géométrique, qui est lié à la distribution des pores dans la matrice. Les prévisions du modèle sont validées par des simulations par éléments finis. En utilisant un modèle à double porosité, on étudie la diffusion de fluide à partir de pores de macro à micro échelle, entraînés par un gradient de pression, et on obtient les propriétés élastiques effectives dépendantes du temps qui en résultent, à la fois pour des conditions de pression constante et de vitesse d'injection constante. On constate que la présence et la diffusion de fluide interstitiel sous pression affectent de manière significative la réponse élastique des matériaux poreux, ce qui doit être pris en compte lors de la modélisation de tels matériaux. Le modèle théorique proposé devrait permettre de mieux comprendre la réponse élastique des matériaux poreux régie par les fluides, avec des implications pour l'analyse de systèmes poreux remplis de fluides géophysiques, biologiques et artificiels.
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hal-02344039 , version 1 (03-11-2019)

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Cite

Mingchao Liu, Jian Wu, Yixiang Gan, Dorian Hanaor, C. Q. Chen. Multiscale modeling of effective elastic properties of fluid-filled porous materials. International Journal of Solids and Structures, 2019, 162, pp.36-44. ⟨10.1016/j.ijsolstr.2018.11.028⟩. ⟨hal-02344039⟩
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