Archived project

PROTECTIVE SYSTEMS AGAINST HIGH ENERGY IMPACT AND EXPLOSION USING POROUS MATERIALS IMBIBED WITH LIQUIDS (PROTHEIS)

Goal: The present project has as main objective the development of an improved protection equipment for human personnel or vehicles which will contain in the backing an encapsulated highly compressible porous layer (HCPL), imbibed with a liquid, capable to absorb a large part of the energy produced by the bullet impact or the shock waves generated by an explosion.

Date: 1 September 2014 - 30 September 2017

Updates
0 new
0
Recommendations
0 new
0
Followers
0 new
8
Reads
0 new
49

Project log

P. Turtoi
added a research item
Subiectul tezei de doctorat se încadrează în domeniul lubrificației ex-porohidrodinamice și explorează capacitatea straturilor subțiri de material poros îmbibate, de a fi utilizate în sisteme de protecție la impact sau balistice sau sisteme de amortizare a șocurilor. Teza abordează atât experimental cât și teoretic curgerea prin medii poroase pentru fluide Newtoniene și ne-Newtoniene. Scopul tezei este de a propune noi modele privind curgerea fluidelor prin medii complexe, categoria materialelor poroase în contextul aplicațiiei lubrificației ex-porohidrodinamice la realizarea unor sisteme de amortizare. Studiile prezentate în teză, a căror justificare se găsește în aplicațiile menționate mai sus, urmăresc mai multe direcții de cercetare:  Stadiul actual al aplicațiilor lubrificației ex-poro-hidrodinamice;  Stadiul actual privind sistemele de protecție la impact și de amortizare care utilizează sisteme poroase și curgerea fluidelor;  Studiul permeabilității unidirecționale a materialelor poroase funcție de variația porozității obținută prin comprimare;  Evidențierea contribuției componentei solide în generarea forței de rezistență pe timpul expulzării ex-poro-hidrodinamice;  Studiul teoretic și experimental al unui model de amortizare bazat pe un strat poros de material poros uscat cu celulă de fluid Newtonian;  Studiul teoretic și experimental al unui model de amortizare bazat pe un strat poros de material poros uscat cu celulă de fluid ne-Newtonian; Capitolul 1 este concentrat asupra prezentării cercetărilor recente asupra curgerii fluidelor prin medii poroase. În introducere este prezentat stadiul actual în domeniul lubrificației exporo-hidrodinamice și diferite cercetări care studiază capacitatea straturilor poroase îmbibate de a amortiza. Au fost analizate modele pentru curgerea fluidelor prin structuri poroase. Deasemenea este prezentat un studiu teoretic bazat pe modelul lui Brinkman pentru curgerea fluidelor prin structuri poroase. În Capitolul 2 este prezentat un studiu experimental privind variația permeabilității cu porozitatea. Variația porozității a fost realizată prin comprimare. Determinarea permeabilității s-a făcut utilizând legea lui Darcy și, ținând cont de efectele inerțiale pe timpul curgerii, folosind legea Darcy-Forchheimer. Utilizând informații despre structura internă au fost analizate performanțele modelului Kozeny-Carman și a altor modele. Această analiză nu a fost inclusă în acest rezumat. În majoritatea studiilor teoretice anterioare efectuate în Universitatea Politehnica din București, contribuția matricii solide a materialului poros pe timpul comprimării a fost neglijată. Prin urmare a fost inițiat un studiu experimental, prezentat în Capitolul 3, pentru măsurarea forței la expulzare pentru nivele mari de compresiune și evidențierea regimurilor de funcționare. Capitolul 4 este dedicat prezentării unui studiu teoretic și experimental pentru un model inovativ de amortizare bazat pe un strat de material poros uscat prevăzut cu rezervoare de fluid Newtonian îmbibate în același material. Analiza experimentală a demonstrat potențialul acestei soluții. Compararea rezultatelor experimentale cu rezultatele teoretice a permis validarea modelului analitic. 10 PREAMBUL PETRICĂ TURTOI Capitolul 5 analizează cazul în care în rezervorul central este prezent doar fluidul Newtonian, iar materialul poros înconjurător este inițial uscat. Expulzarea fluidului este făcută radial din rezervor prin structura poroasă a materialului uscat. Studiul teoretic a fost efectuat pentru viteză și forță de expulzare constantă și pentru expulzare sub acțiunea unui impuls. Acest caz nu a fost studiat experimental deoarece fluidul Newtonian utilizat nu poate fi menținut în rezervor înainte de comprimare fără să apară curgerea prin spuma poroasă. Fluidele ne-Newtoniene pot reprezenta o soluție în creșterea capacității de amortizare. Capitolul 6 este dedicat studierii unui model asemănător cu cel din capitolul anterior dar care utilizează în rezervorul central un fluid cu un comportament reologic asemănător cu cel al unui fluid Bingham. A fost construit un model teoretic original pentru expulzarea fluidului Bingham prin spuma poroasă. Curgerea fluidului prin spumă este aproximată cu extrudarea printr-un mănunchi de tuburi radiale așezate axial-simetric dealungul curgerii. Analiza experimentală a fost efectuată deasemenea pe un model original compus dintr-un inel de spumă poroasă și un fluid cu suspensie de particule (pastă) dispus în rezervorul central. Forța măsurată la expulzarea pastei este semnificativă. Analiza comparativă a rezultatelor teoretice cu rezultatele experimentale a evidențiat acuratețea modelului teoretic. Concluziile generale ale tezei sunt expuse în Capitolul 7. Tot în acest capitol sunt prezentate pe larg contribuțiile originale și perspectivele de cercetare viitoare. Bibliografia cuprinde un număr de 102 de referințe bibliografice care cuprind elemente din problematica tezei. În anexele atașate sunt prezentate alte rezultate ale cercetării științifice efectuate în cadrul doctoratului dar care nu au putut fi integrate în teză, fără a afecta coerența prezentării subiectului tezei.
P. Turtoi
added a research item
The paper presents experimental and theoretical results for the planar squeeze flow of a finite volume of viscoplastic material through a highly deformable porous layer. The central zone of an annular disc made of a reticulated polyurethane foam with high porosity (ε > 0.97) was fully filled with tooth paste. The porous disc placed between two flat, impermeable, parallel, and rigid discs was subjected to compression and the normal force was recorded. After compression, the radial extension of the squeezed fluid was measured. The visualisation of the compressed disc managed to provide evidence of a tortuous flow inside the porous structure. An original analytical model is proposed for the prediction of the front of the flow inside the porous layer and corresponding resistant normal force. The model combines the Covey and Stanmore (1981) model for squeeze flow of a Bingham fluid inside the central zone, with an original approach for flow through the reticulated foams, based on the concept of “equivalent flow tubes” with variable tortuosity. This explorative investigation is of interest for innovative shock absorbers. The model validity covers both low and high plasticity numbers and was experimentally validated for low speed.
P. Turtoi
added a research item
During last two decades it was theoretically and experimentally proved that the fluid squeeze out from a soft and porous layer under the action of an external impact load produces high lifting forces. For high porosity, the elastic forces generated by the solid phase are negligible. The mechanism, strongly dependent on permeability variation with layer compression, can be used for shock absorbing devices. One of the key parameters for maximum impact damping is the initial porosity of the soft layer. This analysis provides a simple, analytical solution for optimum initial porosity that minimizes the peak impact force, for impact squeeze between two perfectly rigid and impermeable flat disks of a highly compressible porous layer imbibed with Newtonian liquid. The solution is based on a quasi-static Darcy flow approach. The comparison of predicted values with the experimental data from impact tests made on a gas gun test-rig, show good agreement for medium impact speed.
P. Turtoi
added a research item
During last decade a series of theoretical studies revealed the high pressures generated in highly porous soft materials imbibed with fluids and subjected to compression, with possible application to impact damping. The mechanism, named eXPoroHydroDynamic (XPHD) Lubrication, combines the resistance to flow inside the porous matrix with its variable (decreasing) permeability during compression. Early experimental results obtained on falling ball and pendulum tests, at low velocity (V<6m/s), were promising. This paper reports preliminary experimental results obtained at medium impact velocity and high energy, for circular, flat contact surface, performed on a gas gun test rig. Specimens ("damping cells") made by encapsulation of a porous material and glycerine have been tested in various impacted structures. It is shown that the maximum contact force is reduced up to 50% when the impacted structure includes the proposed specimens. Visual inspection of impacted specimens clearly shows that for medium velocity the impact was supported by high squeezing pressure generated inside the porous layer. The experiments have also shown that the presence of a bullet-proof vest does not change significantly the impact force variation. Comparison with the XPHD model for disc configuration shows satisfactory agreement for velocity V < 17m/s.
P. Turtoi
added a research item
An innovative solution for damping of residual energy after the impact of a bullet on a protective vest, based on the flow of a fluid through a porous material that is placed under the protective Kevlar layers, has been recently proposed. The fluid flow through the open pores is produced by the compression of the porous material, during impact, i.e. the deformation of the Kevlar layer under the impact with the bullet. The simulation of the impact is done using a pendulum test rig that with a spherical cap. The acceleration and force under impact is analyzed on the impacted body that is protected by the porous material. Combinations of candidate porous materials and fluids were tested. The comparison is done in terms of peak- acceleration and peak-force but also in combination with the thickness and the porosity of the material. The best combination of porous material and fluid was determined. The experiments were also focused on the evaluation of various sealing (encapsulating) membranes necessary for bulletproof application.
P. Turtoi
added a research item
The work presented in the thesis is in accordance with the studies on lubrication and explores the potential of the thin imbibed porous layers, named ex-poro-hydrodynamic, to be used for high velocity impact, ballistic or blast protection. The thesis analyses, both experimental and theoretical, the Newtonian and non-Newtonian fluids flow through porous materials. The aim is to propose new models for complex media (porous materials) fluid flow with regards to the potential to be used for ex-poro-hydrodynamic lubrication and damping systems. Justified by the domains off application, the presented studies follow multiple directions of research:  State of the art of ex-poro-hydrodynamic lubrication;  State of the art of impact damping systems and blast protection based of porous materials fluid flow.  Study of unidirectional permeability as a function of porosity variation by compression;  Experimental study of porous materials solid phase contribution to resisting force during ex-poro-hydrodynamic squeeze;  Theoretical and experimental study of a model based on a dry porous layer with a reservoir filled with Newtonian fluid;  Theoretical and experimental study of a model based on a dry porous layer with a reservoir filled with non-Newtonian fluid; Chapter 1 is focused on fluid flow through porous materials. A state of the art of ex-poro-hydrodynamic lubrication and of recent research on damping capacity of imbibed porous materials is presented in introduction. Theoretical models for fluids flow through porous materials are analyzed. Also, a study based on Brinkman modification of Darcy law is presented. In Chapter 2, an experimental study for permeability variation with porosity is presented. For the variation of porosity was used compression. Darcy law was used for determination of permeability. To consider the effects of inertia during flow, Darcy-Forcheimmer law was also used. Based on information about internal structure of the porous material the performance of Kozeny-Carman equation and other similar models were evaluated. This study was not presented in this abstract due to page limitation. For most studies conducted in University Politehnica of Bucharest, the contribution of the solid phase to resistance force during squeeze was neglected. Therefore, an experimental study, which is presented in Chapter 3, was initiated to measure the resistance force generated on squeeze for high levels of compression and highlight different flow regimes. Also this study was not presented in this abstract for the same reason. Chapter 4 presents a theoretical and experimental study for an innovative damping model based on a dry porous layer with a reservoir of fluid imbibed in same material. Experimental analysis showed the potential of this solution. The model was validated based on a comparison of theoretical results with experimental measurements. In Chapter 5 is studied a model similar with previous but with the reservoir filed only with Newtonian fluid and surrounded by a ring of dry porous material. Fluid squeeze is radial from the reservoir through the surrounded dry porous material. Constant speed and force 10 SUMMARY PETRICĂ TURTOI squeeze and also squeeze by impact were studied. Because the Newtonian fluid cannot be maintained in the reservoir, an experimental model was not built. This study was not presented in this abstract. Non-Newtonian fluids represent a solution to increase the damping capacity. A model connected with previous is presented in Chapter 6. The main difference is that a Bingham fluid can be kept in the central reservoir. An original theoretic model was build for Bingham fluid squeeze flow through porous foam. Fluid flow through foam is approximated with the sifting process through radial disposed flow tubes. Also an original model based on a porous material ring and a reservoir filed with paste was used for experimental analysis. A comparison between experimental values and theoretical data was used to validate the model. Chapter 7 presents the general conclusions and the original contributions of the author and future research directions. References include 102 works related to the thesis subject area. The Appendixes contain other results of the research carried out.
P. Turtoi
added 5 research items
Subiectul tezei de doctorat se încadrează în domeniul lubrificației ex-porohidrodinamice și explorează capacitatea straturilor subțiri de material poros îmbibate, de a fi utilizate în sisteme de protecție la impact sau balistice sau sisteme de amortizare a șocurilor. Teza abordează atât experimental cât și teoretic curgerea prin medii poroase pentru fluide Newtoniene și ne-Newtoniene. Scopul tezei este de a propune noi modele privind curgerea fluidelor prin medii complexe, categoria materialelor poroase în contextul aplicațiiei lubrificației ex-porohidrodinamice la realizarea unor sisteme de amortizare. Studiile prezentate în teză, a căror justificare se găsește în aplicațiile menționate mai sus, urmăresc mai multe direcții de cercetare:  Stadiul actual al aplicațiilor lubrificației ex-poro-hidrodinamice;  Stadiul actual privind sistemele de protecție la impact și de amortizare care utilizează sisteme poroase și curgerea fluidelor;  Studiul permeabilității unidirecționale a materialelor poroase funcție de variația porozității obținută prin comprimare;  Evidențierea contribuției componentei solide în generarea forței de rezistență pe timpul expulzării ex-poro-hidrodinamice;  Studiul teoretic și experimental al unui model de amortizare bazat pe un strat poros de material poros uscat cu celulă de fluid Newtonian;  Studiul teoretic și experimental al unui model de amortizare bazat pe un strat poros de material poros uscat cu celulă de fluid ne-Newtonian; Capitolul 1 este concentrat asupra prezentării cercetărilor recente asupra curgerii fluidelor prin medii poroase. În introducere este prezentat stadiul actual în domeniul lubrificației exporo-hidrodinamice și diferite cercetări care studiază capacitatea straturilor poroase îmbibate de a amortiza. Au fost analizate modele pentru curgerea fluidelor prin structuri poroase. Deasemenea este prezentat un studiu teoretic bazat pe modelul lui Brinkman pentru curgerea fluidelor prin structuri poroase. În Capitolul 2 este prezentat un studiu experimental privind variația permeabilității cu porozitatea. Variația porozității a fost realizată prin comprimare. Determinarea permeabilității s-a făcut utilizând legea lui Darcy și, ținând cont de efectele inerțiale pe timpul curgerii, folosind legea Darcy-Forchheimer. Utilizând informații despre structura internă au fost analizate performanțele modelului Kozeny-Carman și a altor modele. Această analiză nu a fost inclusă în acest rezumat. În majoritatea studiilor teoretice anterioare efectuate în Universitatea Politehnica din București, contribuția matricii solide a materialului poros pe timpul comprimării a fost neglijată. Prin urmare a fost inițiat un studiu experimental, prezentat în Capitolul 3, pentru măsurarea forței la expulzare pentru nivele mari de compresiune și evidențierea regimurilor de funcționare. Capitolul 4 este dedicat prezentării unui studiu teoretic și experimental pentru un model inovativ de amortizare bazat pe un strat de material poros uscat prevăzut cu rezervoare de fluid Newtonian îmbibate în același material. Analiza experimentală a demonstrat potențialul acestei soluții. Compararea rezultatelor experimentale cu rezultatele teoretice a permis validarea modelului analitic. 10 PREAMBUL PETRICĂ TURTOI Capitolul 5 analizează cazul în care în rezervorul central este prezent doar fluidul Newtonian, iar materialul poros înconjurător este inițial uscat. Expulzarea fluidului este făcută radial din rezervor prin structura poroasă a materialului uscat. Studiul teoretic a fost efectuat pentru viteză și forță de expulzare constantă și pentru expulzare sub acțiunea unui impuls. Acest caz nu a fost studiat experimental deoarece fluidul Newtonian utilizat nu poate fi menținut în rezervor înainte de comprimare fără să apară curgerea prin spuma poroasă. Fluidele ne-Newtoniene pot reprezenta o soluție în creșterea capacității de amortizare. Capitolul 6 este dedicat studierii unui model asemănător cu cel din capitolul anterior dar care utilizează în rezervorul central un fluid cu un comportament reologic asemănător cu cel al unui fluid Bingham. A fost construit un model teoretic original pentru expulzarea fluidului Bingham prin spuma poroasă. Curgerea fluidului prin spumă este aproximată cu extrudarea printr-un mănunchi de tuburi radiale așezate axial-simetric dealungul curgerii. Analiza experimentală a fost efectuată deasemenea pe un model original compus dintr-un inel de spumă poroasă și un fluid cu suspensie de particule (pastă) dispus în rezervorul central. Forța măsurată la expulzarea pastei este semnificativă. Analiza comparativă a rezultatelor teoretice cu rezultatele experimentale a evidențiat acuratețea modelului teoretic. Concluziile generale ale tezei sunt expuse în Capitolul 7. Tot în acest capitol sunt prezentate pe larg contribuțiile originale și perspectivele de cercetare viitoare. Bibliografia cuprinde un număr de 102 de referințe bibliografice care cuprind elemente din problematica tezei. În anexele atașate sunt prezentate alte rezultate ale cercetării științifice efectuate în cadrul doctoratului dar care nu au putut fi integrate în teză, fără a afecta coerența prezentării subiectului tezei.
This paper presents experimental and theoretical results for squeeze flow of a non-Newtonian fluid between parallel surfaces at constant speed. A mathematical model for circular plates squeeze (disc configuration) is proposed for a fluid with a rheological behavior described by power law. Experiments were conducted on CETR UMT 2 test rig for a shear-thinning fluid: water-soluble gel mixture used in ice packs for hot / cold therapies. Comparison between experimental data and theoretical predictions show acceptable consistency for thin film and a higher average error for extremely thin films.
This paper presents an original theoretical model for squeeze flow of a Bingham fluid between a multiple-disk stack. The volume of fluid and the speed of the squeeze process are constant. Low and high squeeze speeds were considered in accordance with Covey-Stanmore theory adapted for the constant volume fluid conditions. The case for low speed was validated experimentally using a stack of polyethylene discs filled-up in central zone with a given volume of Bingham paste.
P. Turtoi
added a project goal
The present project has as main objective the development of an improved protection equipment for human personnel or vehicles which will contain in the backing an encapsulated highly compressible porous layer (HCPL), imbibed with a liquid, capable to absorb a large part of the energy produced by the bullet impact or the shock waves generated by an explosion.