圓筒式織物熱濕舒適儀仿真模擬研究

熊巧玲，董奕辰，劉 貴，杜趙群，林 旭

(1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.福建省紡織產(chǎn)品檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省纖維檢驗(yàn)中心)，福州 350026)

隨著社會(huì)的日益發(fā)展和進(jìn)步，人們對生活品質(zhì)的要求越來越高。 而對于傳統(tǒng)紡織服裝行業(yè)，服裝穿著的舒適性能在消費(fèi)者心中是排在首位的。 根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，81%的紡織服裝行業(yè)消費(fèi)者認(rèn)為紡織品的舒適性比服裝的款式設(shè)計(jì)重要[1]。 而在我國服裝舒適性已成為影響消費(fèi)者購買服裝的三大因素之一。 服裝舒適性包括了熱濕舒適性、接觸舒適性以及視覺舒適性[2－4]。 熱濕舒適性是指皮膚、織物以及空氣之間通過織物的熱濕傳遞作用，使人體在外界環(huán)境不斷的變化下依然可以獲得舒適滿意的感覺，即達(dá)到人體體感平衡的一種狀態(tài)。 在這種狀態(tài)下既不感覺到寒冷、燥熱、又不感覺悶濕，人體的各個(gè)器官和各項(xiàng)機(jī)能處于正常的狀態(tài)[5]，這就是人體—服裝—環(huán)境系統(tǒng)的中和狀態(tài)。

在研究織物及服裝的熱濕傳遞性能時(shí)，研究者大多在人體—服裝(織物)—環(huán)境系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來探討熱量傳遞和水分傳遞的過程。 其研究內(nèi)容主要可以概括為兩類:一是熱濕傳遞機(jī)理、影響熱濕傳遞的因素、表征熱濕性能指標(biāo)等；二是熱濕傳遞性能的測試方法及儀器[6]。 測試儀器的研究對于評價(jià)服裝及織物的熱濕傳遞性能有著至關(guān)重要的影響。 隨著當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)研究領(lǐng)域，其中計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)通過其大量復(fù)雜的計(jì)算，解決了原先無法完成的諸多事情。 仿真模擬通過構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)與物理模型，在賦予參數(shù)的條件下進(jìn)行計(jì)算，具有快速、環(huán)保、成本低的優(yōu)勢。 可以利用其輔助測試儀器的研發(fā)以及對熱濕傳遞過程進(jìn)行預(yù)測。

織物及服裝的熱濕舒適客觀評價(jià)法對其使用的測試儀器有極高的依賴性。 例如出汗熱板裝置雖然體積小，測試方便，但是其測試狀態(tài)與人體著裝時(shí)織物的狀態(tài)的差異是最大的。 出汗暖體假人其測試系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，對于更多情況的模擬也較難實(shí)現(xiàn)。 因此可以綜合兩種儀器優(yōu)點(diǎn)的出汗圓筒式測試儀器正在成為研究的重點(diǎn)，利用仿真技術(shù)對出汗圓筒進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化可以為儀器的研制提供參考和指導(dǎo)。

1 出汗圓筒的仿真模擬

在圓筒式織物熱濕阻儀中，實(shí)際是將人體各部分近似簡化為圓柱狀，同樣的在數(shù)值模型值仍然采用這種方式。 與真實(shí)儀器不同的是，利用數(shù)值模型仿真可以避免大量重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，并且可以使模型參數(shù)更接近人體。 人體的生物組織無法被一般的工程材料所代替，但是在數(shù)值模型中，能夠隨意設(shè)定其材料參數(shù)，使其性質(zhì)與人體更加接近。 另外通過更改數(shù)值模型的參數(shù)或結(jié)構(gòu)還可以比較圓筒式儀器的溫濕度場。

圖1 出汗圓筒幾何模型

要建立出汗圓筒的數(shù)值模型，需要對其進(jìn)行以下假設(shè):

(1)織物看作是均質(zhì)的平板，整體具有相同的特性，且其熱力學(xué)參數(shù)不隨溫度改變；

(2)導(dǎo)熱主要在垂直表面的方向進(jìn)行，不考慮層間的接觸熱阻；

(3)將各區(qū)域都視為各項(xiàng)同性的連續(xù)介質(zhì)，空氣與織物中固、液、氣三相處于熱力平衡狀態(tài)，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

(4)只研究系統(tǒng)內(nèi)的熱濕傳遞過程，系統(tǒng)外的熱濕傳遞過程按照傳熱傳質(zhì)理論中的對流邊界來處理。

根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒，可以得到以下的熱傳遞和濕傳遞的控制方程:

如果只考慮在圓筒內(nèi)部的水浴溫度達(dá)到設(shè)定的溫度T0后的熱濕傳遞過程，那么可以將圓筒內(nèi)看作是等溫域，初始值為T0，而微氣候區(qū)熱濕傳遞的初始值分布是環(huán)境的溫度Ta和相對濕度RHa。

要對這個(gè)模型的熱傳遞控制方程進(jìn)行求解，只需要設(shè)置三個(gè)邊界條件。 一個(gè)是織物與外界環(huán)境接觸的邊界，考慮外部自然對流的影響以及環(huán)境的輻射。 所以在邊界條件類型中選擇熱通量邊界，一個(gè)是隔熱材料的邊界，可以設(shè)置其熱通量為0。 還有一個(gè)是圓筒儀的外筒壁，可以將其溫度設(shè)置為固定值即筒內(nèi)水浴溫度。

mrsw是模擬皮膚的水汽蒸發(fā)速率，用防水透濕織物的透濕率來表示，通過實(shí)驗(yàn)測得，Rw是外層測試織物的濕阻，同樣需要通過實(shí)驗(yàn)測得。 在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)這些參數(shù)都是已知的。

利用(3)～(7)的控制方程和邊界條件公式，以及在模型中設(shè)置的初始值，就可以對模型的溫度場和濕度場進(jìn)行求解。 在求解時(shí)可以根據(jù)需要選用瞬態(tài)求解器或穩(wěn)態(tài)求解器。

如果不將圓筒壁與模擬皮膚看成薄層結(jié)構(gòu)，而是將其設(shè)置成具有一定厚度的域，并將該域內(nèi)的參數(shù)設(shè)置為人體皮膚參數(shù)[7]，見表1。

表1 皮膚組織的熱物理參數(shù)

并將皮膚邊界的邊界條件即公式(6)中的mrsw采用Gagge 的出汗調(diào)節(jié)方程[8]代替。 其計(jì)算公式見(9)，式中Tb為筒內(nèi)水浴溫度，T 則為新設(shè)置的皮膚域的溫度。

1.1 出汗圓筒加熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在考慮對圓筒儀內(nèi)部的水進(jìn)行加熱時(shí)，主要考慮了兩種方案。 第一種是將加熱絲纏繞在內(nèi)筒上進(jìn)行加熱，另外一種是將加熱絲盤旋固定在圓筒的底部和頂部進(jìn)行加熱。 為了了解那種方式更夠更加均勻且快速地對圓筒儀內(nèi)部的水進(jìn)行加熱，使水溫能夠達(dá)到PID 設(shè)定值。 將對兩種方案進(jìn)行仿真。

如圖2 和圖3 所示，當(dāng)考慮將加熱絲纏繞在內(nèi)筒壁上進(jìn)行加熱時(shí)，圓筒儀內(nèi)部水溫在豎直方向上表現(xiàn)出良好的均勻性。 在圓筒附近的溫度較高，圓筒中心和圓筒外側(cè)的溫度較低。 當(dāng)加熱絲附近溫度為100℃時(shí)，外筒溫度約為40℃。 而在考慮將加熱絲盤旋固定在底部和頂部時(shí)，圓筒儀則是在水平方向上均勻性較好，而在豎直方向上的溫差分布非常大。 當(dāng)頂部的溫度已經(jīng)達(dá)到300℃時(shí)，圓筒中間的水位只有50℃左右。 雖然頂部和底座是絕熱材料，但是仍然會(huì)產(chǎn)生較多的熱量損耗，使加熱時(shí)間延長。 圓筒式熱濕阻儀要求外圓筒壁的溫度能夠均勻一致，所以從上面兩張圖的分析來看，采用加熱絲纏繞在內(nèi)筒的加熱方式更好。

圖2 內(nèi)筒加熱

圖3 頂部和底部加熱

1.2 出汗圓筒外筒材料優(yōu)化

在選擇圓筒的材料時(shí)，內(nèi)筒的材料對于測試過程的影響很小，所以使用耐用性好的金屬材料即可。 而金屬外筒與外界空氣或者織物的距離很近，采用不同的材料有可能會(huì)對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。 金屬外筒同樣需要考慮其耐用性，銅和不銹鋼在大氣、淡水中都有良好的耐腐蝕性且強(qiáng)度高。所以初步確定采用銅(導(dǎo)熱系數(shù)400W/m·K)和不銹鋼材料(導(dǎo)熱系數(shù)17W/m·K)作為金屬外筒材料。

圖4 織物內(nèi)邊界溫度上升圖

觀察織物內(nèi)邊界的溫度隨時(shí)間的變化曲線，可以看到，使用銅作為外壁時(shí)，織物內(nèi)邊界的溫度變化比使用不銹鋼時(shí)溫度的變化快。 在初始時(shí)刻織物與空氣域的初始值都是20℃，使用銅作為外壁材料，在前2min 內(nèi)織物處的溫度就迅速增加到27.8℃。 而在使用不銹鋼作為外壁材料時(shí)，在前1min 的溫度升高比較快，隨后升高速率逐漸降低。使用不銹鋼材料，在熱濕傳遞測試過程中，其熱傳遞的狀態(tài)更接近人體皮膚熱傳遞狀態(tài)，因此選用不銹鋼材料更有利于在實(shí)驗(yàn)中觀察溫濕度的變化情況。

1.3 出汗圓筒外筒孔徑優(yōu)化

為了研究外圓筒壁孔徑對于測試面溫度分布的影響，將其轉(zhuǎn)化為平板模型，在COMSOL 中進(jìn)行建模分析。 如下頁圖5 中所示，建立了圓筒壁與防水透濕織物的雙層平板模型，圓筒壁上有圓孔均勻分布，由于圓筒內(nèi)部是水，所以圓孔內(nèi)也是充滿水的。 設(shè)置有孔邊界面的溫度為37℃恒溫，織物外邊界面為20℃的外部自然對流。 為在此分布用了2mm 和4mm 的孔徑大小進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果見圖6。

圖5 外圓筒壁及防水透濕織物平板模型

圖6 表面溫度分布

從圖6 中可以看到，在模型的表面，溫度是由圓孔中心向外遞增的。 雖然采用2mm 的孔徑與采用4mm 的孔徑其最低溫度與最高溫度之間的差異并不大，但是仍然可以看出，孔徑越大在達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)織物表面的最低溫度與最高溫度之間的差越大。 由此可見，小孔徑更利于使測試面溫度的均勻分布，在加工時(shí)將采用可加工出的最小孔徑來進(jìn)行加工。

2 基于數(shù)值圓筒模型的預(yù)測分析

2.1 不同空氣層厚度熱濕傳遞預(yù)測及分析

若利用出汗圓筒式儀器進(jìn)行測試，想要模擬人體穿著服裝的狀態(tài)，模擬皮膚與被測織物間應(yīng)該留有一定厚度的空氣層，形成微氣候區(qū)。 但是其厚度一般較小，不便于在其間放置溫濕度傳感器。 無法觀察在空氣層中溫度與濕度的變化情況。 一般微氣候區(qū)的厚度小于12.7mm 時(shí)可以不考慮其內(nèi)部自然對流的影響[9]。

仿真的環(huán)境工況條件為:溫度為20℃，相對濕度65%，風(fēng)速為<0.1m/s。 仿真對象棉織物參數(shù)為

熱阻:0.0479W/(m·K)

濕阻:39.59m2·Pa/W

圖7(a)是在空氣層厚度分別為2mm、4mm、6mm 的參數(shù)條件下，同一節(jié)點(diǎn)處溫度隨時(shí)間的變化曲線。 從上圖可以看出，隨著空氣層厚度的增加，達(dá)到平衡的時(shí)間越長，空氣層內(nèi)的溫度也越高。圖7(b)是在達(dá)到平衡后的空氣層內(nèi)溫度分布，穩(wěn)定后空氣層內(nèi)的溫度接近線性分布，從左邊界到右邊界呈現(xiàn)下降趨勢。 左邊界的溫度分別為35.5℃、35.8℃、36℃，說明在一定范圍內(nèi)增加空氣層厚度可以提高保暖性。

圖7 不同空氣層厚度下溫濕度變化及分布

圖7(c)表示的是衣下空氣層厚度分別為2mm、4mm、6mm 時(shí)空氣層內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)處相對濕度隨時(shí)間的變化規(guī)律。 從圖中可以看出在前2s 相對濕度迅速下降，之后下降速度變緩，并逐漸趨于平衡。 這是由于模擬皮膚在裸露狀態(tài)下，附近水蒸氣分壓與環(huán)境中的水蒸氣分壓相平衡，而在加上織物與空氣層后，空氣層內(nèi)的溫度迅速升高，且從模擬皮膚邊界到織物內(nèi)邊界呈逐漸下降趨勢。 溫度的升高會(huì)導(dǎo)致水蒸氣分壓增大，從而使相對濕度降低。 隨著空氣層厚度的增加，相對濕度達(dá)到平衡的時(shí)間越長，同一位置相對濕度越小。 從圖7(d)平衡后空氣層內(nèi)相對濕度的分布可以看出，空氣層中相對濕度從模型模擬皮膚邊界到織物內(nèi)表面邊界是接近現(xiàn)線分布的，距離模擬皮膚越近，相對濕度越低，這也說明了在未出汗的情況下，穿著該織物制成的服裝能夠很好地保持皮膚干爽的感覺。

2.2 不同空氣層厚度熱濕傳遞預(yù)測及分析

一般情況下利用儀器進(jìn)行測試時(shí)，較難把控環(huán)境的溫度，必須要有非常專業(yè)的人工氣候室才能實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下的測試。 但是在實(shí)際情況中外界環(huán)境對于人體的穿著時(shí)的熱濕舒適度也有很大的影響，要想描述一塊織物的熱濕舒適性，就要結(jié)合其實(shí)際環(huán)境。 例如對于一塊熱阻大的織物，如果是在較冷的環(huán)境中，我們會(huì)評價(jià)其熱舒適性好。 但是在熱環(huán)境中由于人體更需要一種涼爽的感覺，那么此時(shí)的熱舒適性顯然是不好的。 在本小節(jié)中將討論在無風(fēng)狀態(tài)下溫度和相對濕度對于空氣層內(nèi)熱濕傳遞的影響。 仍以棉織物為例，衣下空氣層的厚度設(shè)置為6mm，環(huán)境風(fēng)速V<0.1m/s。

首先討論在同樣的相對濕度下，不同溫度條件下空氣層內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)的溫度、以及相對濕度的變化規(guī)律。 環(huán)境條件分別設(shè)置為以下參數(shù):

(1)環(huán)境溫度T＝10℃；環(huán)境濕度RH＝60%

(2)環(huán)境溫度T＝20℃；環(huán)境濕度RH＝60%

(3)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝60%

圖8(a)是在相同濕度不同溫度環(huán)境下同一織物和空氣層的仿真結(jié)果。 在時(shí)間為0s 時(shí)空氣層內(nèi)左節(jié)點(diǎn)的初始值接近環(huán)境溫度。 在不同的環(huán)境溫度下，加上織物和空氣層來模擬穿衣后，同一節(jié)點(diǎn)溫度變化的趨勢是一致的，都是先迅速升高后趨于平衡，但是可以看到隨著環(huán)境溫度的升高，開始時(shí)的溫度曲線梯度越大，空氣層內(nèi)節(jié)點(diǎn)的溫度升高越快。 當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí)，空氣層中所選節(jié)點(diǎn)處的溫度約2s 就達(dá)到平衡了，而當(dāng)環(huán)境溫度為10℃時(shí)，則需要大約12s。 圖8(b)是達(dá)到平衡狀態(tài)后空氣層內(nèi)的溫度分布，在達(dá)到平衡狀態(tài)后，模擬皮膚邊界到織物內(nèi)表面區(qū)間內(nèi)的溫度呈線性分布，環(huán)境溫度越高斜率越小。 但是模擬皮膚表面的溫度相差不大。 這也從側(cè)面證實(shí)了織物及空氣層的熱調(diào)節(jié)功能。

圖8 不同環(huán)境溫度下空氣層內(nèi)溫濕度變化及分布

圖8(c)表示的是不同環(huán)境溫度下空氣層同一節(jié)點(diǎn)處的相對濕度隨時(shí)間的變化趨勢，可以看出，在不同的環(huán)境溫度下，相對濕度的變化趨勢大致相同，初始值都是環(huán)境相對濕度。 剛開始，由于熱源的加熱作用，溫度的迅速升高，導(dǎo)致水蒸氣分壓迅速增大，相對濕度迅速下降。 而隨著空氣層內(nèi)溫度的升高，相對濕度的下降趨勢也變緩。 圖8(d)是達(dá)到平衡后空氣層內(nèi)相對濕度的分布，總體來看，相對濕度依舊是從左邊界到右邊界呈現(xiàn)遞增的，但是環(huán)境溫度越高，左邊界與右邊界相對濕度差異約小，且環(huán)境溫度越高達(dá)到平衡后的相對濕度越高。

討論完環(huán)境溫度對于模擬結(jié)果的影響后，接著討論在相同環(huán)境溫度，不同相對濕度條件下空氣層內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)的溫度及相對濕度的變化規(guī)律。 環(huán)境條件分別設(shè)置為以下參數(shù):

(1)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝20%

(2)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝60%

(3)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝90%

從圖9(a)可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為30℃時(shí)，不同的環(huán)境濕度條件下空氣層內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線基本重合，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后空氣層內(nèi)的溫度分布也一致。 因此環(huán)境相對濕度對于空氣層內(nèi)的溫度變化基本沒有影響。 從圖9(b)空氣層內(nèi)相對濕度隨時(shí)間的變化中，可以看出隨著環(huán)境相對濕度的增加，空氣層內(nèi)相對濕度的變化趨勢雖然一致，但是環(huán)境相對濕度約高，空氣層內(nèi)相對濕度達(dá)到平衡的時(shí)間越長，且與初始時(shí)刻的差異越大。同時(shí)，在達(dá)到平衡后，空氣層的相對濕度分布也存在明顯差異，環(huán)境相對濕度越大，空氣層內(nèi)相對濕度也越大，空氣層左邊界到右邊界的分布梯度越大。

圖9 不同環(huán)境相對濕度下空氣層內(nèi)溫濕度變化

3 結(jié)論

利用仿真的方式對出汗圓筒內(nèi)部加熱方式以及外筒材質(zhì)、孔徑進(jìn)行分析，用于出汗圓筒式儀器的優(yōu)化。 內(nèi)部的加熱方式考慮內(nèi)筒加熱及筒底部加熱，分析發(fā)現(xiàn)將加熱絲纏繞在內(nèi)筒上的加熱方式能夠更快達(dá)到設(shè)定溫度，并且測試面的溫度分布也會(huì)更加均勻。 外筒的材質(zhì)考慮不銹鋼和筒兩種材料，分析發(fā)現(xiàn)使用兩種材料的穩(wěn)態(tài)圓筒溫度分布差異不大。 但是使用銅作為外筒材質(zhì)時(shí)，微氣候區(qū)域溫度升高較快，不利于對溫度的監(jiān)測，所以最終選擇不銹鋼作為外筒材料。 在分析外圓筒壁孔徑對于測試面的影響時(shí)，測試面表面圓孔處的溫度沿圓孔中心向外遞減，所以選擇更小的孔徑有利于測試面溫度的均勻分布。

在完成出汗圓筒的仿真設(shè)計(jì)后，利用構(gòu)建的數(shù)值圓筒模型，對其在不同空氣層厚度下以及不同環(huán)境工況下空氣層內(nèi)的熱濕傳遞做了分析與預(yù)測。結(jié)果表明隨著空氣層厚度的增大，在數(shù)值模型的模擬皮膚邊界的溫度會(huì)越高，相對濕度會(huì)越低。 而在不同的環(huán)境溫度下，隨著環(huán)境溫度的增加，模擬皮膚邊界處的溫度和相對濕度越大，空氣層內(nèi)溫度和相對濕度分布梯度越小。 在不同的環(huán)境相對濕度下，環(huán)境相對濕度的增大，對于空氣層內(nèi)的溫度變化影響很小，但是空氣層內(nèi)相對濕度的平衡時(shí)間延長，模擬皮膚邊界的相對濕度增大，整個(gè)空氣層相對濕度分布梯度也增大。