空氣層對(duì)織物熱傳遞影響的模擬分析

張藝強(qiáng)，陳揚(yáng)，范艷娟，楊允出,b

(浙江理工大學(xué)，a.國(guó)際教育學(xué)院；b.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，杭州 310018)

空氣層對(duì)織物熱傳遞影響的模擬分析

張藝強(qiáng)a，陳揚(yáng)a，范艷娟a，楊允出a,b

(浙江理工大學(xué)，a.國(guó)際教育學(xué)院；b.浙江省服裝工程技術(shù)研究中心，杭州 310018)

為了分析空氣層厚度與位置對(duì)織物熱傳遞的影響，利用ANSYS建立3層材料熱傳遞有限元模型。2種模型的空氣層分別處于底部(模型1)和中間(模型2)，空氣層厚度為1～5 mm，逐漸增加。對(duì)織物模型進(jìn)行一維熱傳遞的數(shù)值求解，分析不同條件下多層織物傳熱過程的溫度分布和織物表面的瞬態(tài)溫度值。結(jié)果顯示：達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，在相同時(shí)間點(diǎn)模型1的織物外表面溫度要低于模型2；空氣層的厚度對(duì)織物表面穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度有影響，隨著空氣厚度的增加，在相同時(shí)間點(diǎn)各模型外表面溫度逐漸降低，且下降梯度逐漸變小。進(jìn)一步通過恒溫板實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)織物外表面溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值隨時(shí)間變化的一致性較好，最大相對(duì)誤差為5.65%。

熱傳遞；空氣層；織物；有限元

0 引 言

服裝舒適性的研究一直都是焦點(diǎn)，其中熱傳遞是影響紡織品舒適性的重要性能之一，然而在人體與服裝之間、服裝與服裝之間存在著空氣,由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于織物的導(dǎo)熱系數(shù)，所以空氣層對(duì)人體向外界傳遞熱量有著非常重要的影響。很多學(xué)者在空氣層對(duì)熱傳遞的影響方面做了大量工作。早在1999年Torvid等[1]利用小尺度臺(tái)式測(cè)試，不考慮輻射傳熱的影響，建立了面料與傳感器之間空氣層的一維熱傳遞。Talukdar等[2]利用計(jì)算流體力學(xué)軟件將空氣層的模擬傳熱推廣到多維。Ghazy等[3]建立面料與空氣層的多層組合模型。孫玉釵等[4]通過有限元方法建立紡織品熱傳遞理論模型，模擬得出織物每增加1層、空氣層每增加1 mm，織物的熱損失減少40%左右。環(huán)境溫度越低，熱損失越多。常生等[5]分析不同厚度和面積的空氣層與織物的復(fù)合熱阻，得出織物與空氣層的復(fù)合熱阻會(huì)隨著空氣層的面積和厚度的增大而增大，并且呈線性關(guān)系。李利君等[6]得出增加3 mm的空氣層，多層織物系統(tǒng)的總熱阻值增加10%左右。段杏元等[7]使用站立式暖汗出汗假人分別對(duì)男士發(fā)熱內(nèi)衣及純棉內(nèi)衣的熱阻與濕阻進(jìn)行了測(cè)量，分別建立了2種內(nèi)衣的空氣體積與熱阻和濕阻之間的多項(xiàng)回歸模型，得出2種內(nèi)衣的熱阻與濕阻均隨空氣層厚度的增加而增大到最大值，而后再逐漸減小。在消防服上Fu等[8]得出在服裝多層系統(tǒng)中不同位置、不同厚度的空氣層對(duì)服裝的熱防護(hù)性能有不同程度影響。王云儀等[9]通過燃燒假人的三維掃描確定衣下空氣層的分布狀況，結(jié)果顯示，在肩部、前胸、大腿和膝蓋等部位的空氣層較小，在腰、后膝和小腿的空氣層相對(duì)較大。

本文將用有限元軟件對(duì)織物與空氣層的組合方式以及不同空氣層厚度下的織物模型進(jìn)行傳熱模擬，探索表面瞬態(tài)溫度變化的規(guī)律，從而為隔熱服裝的設(shè)計(jì)以及不同服裝的保暖組合方式提供指導(dǎo)。

1 理論研究

在不考慮濕傳遞的情況下，熱量傳遞方式有：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種。在由人體皮膚-面料-環(huán)境構(gòu)成的服裝系統(tǒng)中，皮膚與內(nèi)層織物、外層織物與環(huán)境間的溫差很小，并且織物內(nèi)部紗線與紗線交織形成的孔隙相對(duì)較小，在正常情況下，熱傳導(dǎo)的傳熱效果遠(yuǎn)大于對(duì)流和輻射對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)，因此實(shí)際中一般不考慮輻射的影響，只考慮導(dǎo)熱及對(duì)流換熱。

當(dāng)一平壁內(nèi)部各處的溫度是均勻的，等于環(huán)境溫度T0，如圖1中BH所示。在AB側(cè)給定一恒定溫度T1，右側(cè)仍然與環(huán)境接觸，這時(shí)靠近左側(cè)的部分溫度會(huì)很快上升，其余部位依然保持初始溫度T0，隨著時(shí)間的推移，平壁各部分溫度逐漸升高，右側(cè)表面溫度也逐漸升高，如圖1中曲線AC、AD、AE、AF所示，最終達(dá)到穩(wěn)定，如AG所示。此時(shí)熱量傳遞遵循能量守恒定律及傅里葉定律[10]:

(1)

式中：T為溫度，℃；t為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ρ為質(zhì)量密度，kg/m3；c為比熱，J/(kg·℃)。

圖1 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱溫度分布

織物表面與環(huán)境接觸存在對(duì)流換熱。對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，如圖2所示?？捎门ｎD冷卻方程描述：

(2)

其式中：q*為熱流密度，W/m2；hf為對(duì)流換熱系數(shù)，(W/m-2·K-1)；Tb為固體表面的溫度，℃；Ts為周圍流體的溫度，℃。

圖2 對(duì)流示意圖

2 模擬研究

織物的熱傳遞是一個(gè)復(fù)雜的過程，為了簡(jiǎn)化問題，這里把它作為一種勻質(zhì)平板[11]材料，其傳熱過程為：人體皮膚散發(fā)的熱量通過“小氣候”、織物、織物間空氣層及織物表面的邊界層空氣傳遞至外界環(huán)境。將織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)與紗線空隙間的空氣當(dāng)成一個(gè)整體考慮，用其總導(dǎo)熱系數(shù)作為導(dǎo)熱參考量，織物和空氣的比熱容及質(zhì)量密度作為常量，建立人體皮膚到環(huán)境的熱傳遞模型。簡(jiǎn)化模型如圖3所示，箭頭為熱量傳遞方向。

圖3 帶空氣層的多層織物熱傳遞模型

2.1 參數(shù)條件

環(huán)境溫度為21.8 ℃，模擬與實(shí)驗(yàn)采用的面料為純棉平紋布，參數(shù)如表1所示。

表1 純棉平紋布與空氣導(dǎo)熱參數(shù)

注：面料經(jīng)密：180根/10 cm，緯密：170根/10 cm。

模型邊界條件：對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)；人體皮膚溫度假定為33.6 ℃。

2.2 有限元模型及處理

不同空氣層位置與厚度的一維簡(jiǎn)化幾何模型如圖4所示。模型1:皮膚-空氣層-面料-面料-環(huán)境;模型2:皮膚-面料-空氣層-面料-環(huán)境，空氣層厚度在1～5 mm區(qū)間變化。在ANSYS有限元軟件中建立各織物與空氣層的組合模型后，添加溫度載荷和環(huán)境條件，假設(shè)織物上表面與環(huán)境發(fā)生對(duì)流換熱，內(nèi)部空氣層為靜止的。在ANSYS中統(tǒng)一以m為單位。采用手動(dòng)映射網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸為0.0001 m。圖5為織物與空氣層的網(wǎng)格模型。圖6為穩(wěn)態(tài)條件下模型1(3 mm空氣層厚度，環(huán)境溫度為21.8 ℃)的最終溫度分布云圖。圖6中MX和MN分別表示最大值和最小值。

圖4 不同空氣層位置與厚度的簡(jiǎn)化幾何模型

圖5 網(wǎng)格模型

圖6 模型1(3 mm空氣層)的溫度分布云圖

2.3 結(jié)果分析

本次模擬采用瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，時(shí)間總歷程為200 s,步長(zhǎng)為1 s，最大步長(zhǎng)為2 s。2種模型分別模擬了在表面對(duì)流換熱不變的情況下，環(huán)境溫度為21.8 ℃時(shí)，模型表面熱量傳遞過程中的溫度變化。圖7給出了模型1和模型2在不同空氣層厚度條件下的織物表面溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖7 不同模型中織物表面溫度時(shí)間曲線

a) 空氣層厚度對(duì)織物熱傳遞的影響

如圖6所示，將模型2中的空氣層以1 mm為梯度，逐漸增加到5 mm，用有限元軟件分別模擬5個(gè)空氣厚度下的熱傳遞，提取織物表面溫度變化如圖7所示。隨著空氣厚度的增加，在相同時(shí)間點(diǎn)各模型外表面溫度逐漸降低，且下降梯度逐漸變小。空氣層厚度從1 mm增加到2 mm時(shí)，織物表面溫度差為1.955 ℃，依次從2 mm增加到3 mm、3 mm增加到4 mm、4 mm增加到5 mm時(shí)的溫度差值為1.290、0.914和0.683。

b) 空氣層位置對(duì)織物熱傳遞的影響

在外界環(huán)境條件相同的情況下，在熱傳遞達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，空氣層的位置對(duì)織物熱傳遞有影響，在相同時(shí)間點(diǎn)空氣層位于底部的織物模型外表面溫度要低于空氣層位于中間的織物模型，如表2所示。在傳熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，模型1和模型2的外表面溫度相同，空氣層的位置對(duì)模型穩(wěn)態(tài)時(shí)的表面溫度沒有影響。

表2 不同模型的表面溫度 ℃

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在人工氣候室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所用面料參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括恒溫加熱平臺(tái)，PT100溫度傳感器，亞克力板。用恒溫加熱臺(tái)給定恒定溫度，平臺(tái)設(shè)定為36.0 ℃,此時(shí)平臺(tái)表面溫度實(shí)測(cè)為33.6 ℃±0.2 ℃，恒溫平臺(tái)發(fā)熱面積20 cm×20 cm。亞克力板的厚度從1～5 mm，中間挖出10 cm×10 cm的方形用于模擬空氣層厚度。實(shí)驗(yàn)過程中，試樣按圖6的不同模型進(jìn)行放置，采用PT100溫度傳感器獲取織物表面瞬態(tài)溫度。每組實(shí)驗(yàn)做3次，取3次的平均值。有限元模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 模型1不同空氣厚度下模擬和實(shí)驗(yàn)散點(diǎn)圖

圖9 模型2不同空氣厚度下模擬和實(shí)驗(yàn)散點(diǎn)圖

由圖8和圖9可知，模擬分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大相對(duì)誤差為5.65%，用SPSS進(jìn)行Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)，在顯著性水平0.05下，各組概率p值均大于0.05，模擬值與實(shí)驗(yàn)值沒有顯著差異。實(shí)驗(yàn)中，由于恒溫平板的加熱精度以及溫度傳感器的靈敏度會(huì)導(dǎo)致誤差，此外，環(huán)境氣候也存在一定范圍的波動(dòng)，對(duì)流換熱系數(shù)的確定是非常復(fù)雜的，現(xiàn)實(shí)環(huán)境的對(duì)流并沒有模擬中的那么穩(wěn)定，也會(huì)引起理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差。

4 結(jié) 論

本文通過模擬織物熱傳遞，得出以下結(jié)論:

a) 通過有限元軟件ANSYS模擬真實(shí)環(huán)境條件下溫度在織物中的傳遞,可提取出織物橫截面任意位置、任意時(shí)刻的瞬態(tài)溫度分布情況。

b) 在外界環(huán)境條件相同的情況下，空氣層的位置對(duì)模型表面穩(wěn)態(tài)溫度沒有影響。但在熱傳遞達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，空氣層的位置對(duì)織物熱傳遞有影響，在相同時(shí)間點(diǎn)、空氣層位于底部的模型外表面溫度要低于空氣層位于兩面料之間的模型溫度。

c) 隨著空氣厚度的增加，在相同時(shí)間點(diǎn)各模型外表面溫度逐漸降低，且下降梯度逐漸變小。

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(責(zé)任編輯： 唐志榮)

Simulation Analysis of the Influence of Air Layeron Fabric Heat Transfer

ZHANG Yiqianga, CHENG Yanga, FAN Yanjuana, YANG Yunchua,b

(a.International Education College; b.Zhejiang Provincial Research Center of Clothing Engineering Technology, Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China)

To analyze the influence of air layer thickness and position on heat transfer of fabric, a 3-layer material heat transfer finite element model was built with ANSYS system. The air layer of two models is at the bottom (model 1) and the middle (model 2) respectively, and the air layer thickness ranges from 1 to 5 mm (taking on an increase trend). Numerical values of one-dimensional heat transfer were calculated to analyze the distribution of temperature of multilayer fabric system in the heat transfer process under different conditions and the transient temperature of fabric surface nodes. The results show that, before the steady state is reached, the fabric outer surface temperature in model 1 is lower than that in model 2 at the same time point; the air layer thickness has an influence on fabric surface temperature in the steady state, and the outer surface temperature of the models gradually decreases at a decreasing rate at the same time point with the increase of air thickness. Further experiment with thermostatic plate shows that the simulation value and experimental value of outer surface temperature of fabrics are highly consistent with each other, with a maximum relative error of 5.65%.

heat transfer; air layer; fabric; finite element

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.09.002

2017-5-11 網(wǎng)絡(luò)出版日期： 2017-08-07

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(Y17E060034)；浙江理工大學(xué)教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目(jgyl1403)

張藝強(qiáng)(1992-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事服裝舒適性與功能方面的研究。

楊允出，E-mail：gary0577@zstu.edu.cn

TS101.1

A

1673- 3851 (2017) 05- 0616- 05