Introducción y objetivos

La resistencia de los materiales de construcción al daño por congelación y descongelación es un desafío clave en la ingeniería civil. En el artículo de los autores Wang et. al publicado en la prestigiosa revista Journal of Energy Storage de Elsevier investiga el uso de agregados de cambio de fase (phase-change aggregate - PCA) con fibras de carbono para mejorar la transferencia de calor y la resistencia a las heladas en el hormigón utilizando COMSOL Multiphysics®.

En particular, la herramienta se utiliza para modelizar la distribución de temperatura en los agregados y analizar el impacto de la conductividad térmica de las fibras de carbono en la eficiencia del cambio de fase.

Modelo y simulación

Se construyó un modelo en COMSOL Multiphysics con un PCA compuesto por un núcleo de material de cambio de fase encapsulado y una capa externa de cemento reforzado con fibra de carbono, tal y como se muestra en la Figura 1. La simulación consideró la transferencia de calor en estado sólido y fluido, estableciendo condiciones iniciales de 18 °C y un entorno de -10 °C. Se definieron diferentes concentraciones de fibra de carbono en la capa externa para evaluar su influencia en la conductividad térmica y la velocidad de disipación de calor.

Figura 1. Modelo físico y mallado del PCA modelizado en COMSOL Multiphysics®.

Resultados y conclusiones

Los resultados de COMSOL Multiphysics mostraron que la adición de fibra de carbono mejoró la conductividad térmica de la capa externa en hasta un 20.9 %, lo que aceleró el inicio del cambio de fase y redujo su duración. La plataforma de retardo térmico se debilitó progresivamente desde el interior hacia el exterior, indicando una mejora en la eficiencia del almacenamiento y liberación de calor. Se pudo comprobar también la mejora en la resistencia a daños por congelación.

La Figura 2 muestra los resultados de simulación de la evolución temporal de los campos de temperatura obtenidos para distintas cantidades de fibra de carbono agregadas. Además, la validación experimental confirmó la precisión del modelo desarrollado en COMSOL Multiphysics®, con errores inferiores al 5 % tal y como se muestra en la Figura 3.

Figura 2. Evolución temporal de los campos de temperatura obtenidos en las simulaciones de COMSOL Multiphysics® para distintas cantidades de fibra de carbono agregadas al hormigón.

Figura 3. Comparativa de la temperatura obtenida experimentalmente y la obtenida mediante la simulación en COMSOL Multiphysics®.

El uso de COMSOL Multiphysics permitió predecir con precisión el comportamiento térmico del PCA, proporcionando información clave para optimizar su diseño y mejorar la resistencia del hormigón en condiciones extremas. ¡Este artículo es un claro ejemplo del potencial de COMSOL Multiphysics® para el desarrollo y optimización de nuevos materiales!

Referencias

[1] Effect of carbon fiber on heat transfer mechanism and performance of phase-change aggregate for frost resistance: Performance characterization of eutectic phase-change material, heat transfer simulation and mechanism analysis, Journal of Energy Storage, 2025, 117, 116144.