多孔織物熱濕耦合模擬研究與發(fā)展趨勢(shì)

謝璐璐, 叢 杉, 謝 倩

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院, 上海 201600; 2.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 西安 710048)

研究與技術(shù)

多孔織物熱濕耦合模擬研究與發(fā)展趨勢(shì)

謝璐璐1, 叢 杉1, 謝 倩2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院, 上海 201600; 2.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院, 西安 710048)

深入探究了熱濕耦合對(duì)服裝熱濕舒適性的重要意義，回顧了近年來(lái)多孔織物的熱濕耦合研究進(jìn)展，包括織物性能對(duì)熱濕耦合的影響，不同物理現(xiàn)象下的熱濕耦合研究?jī)煞矫鎯?nèi)容?？偨Y(jié)了常見(jiàn)的熱濕耦合數(shù)值模擬的四種途徑：以Luikov傳熱傳質(zhì)耦合方程為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法、有限容積分析法、有限元分析方法和基于多物理場(chǎng)的仿真軟件應(yīng)用。結(jié)合以上分析，提出了熱濕耦合模擬應(yīng)該從熱濕參數(shù)量化、極端環(huán)境條件及多層織物熱濕耦合機(jī)理進(jìn)行深入研究，注重結(jié)合多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論和織物特征，以完善熱濕耦合機(jī)理分析和數(shù)值模擬過(guò)程。

多孔織物; 微氣候; 熱濕耦合; 數(shù)值模擬

通常情況下，人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中的微氣候?qū)訒?huì)受到人體新陳代謝、織物性能、環(huán)境條件的影響。熱量、液態(tài)水、水蒸氣會(huì)通過(guò)織物層傳到外界，而外界環(huán)境的溫度、濕度、氣流、輻射、光照等則要經(jīng)過(guò)服裝的阻隔或吸收來(lái)作用于人體，如圖1所示。微氣候內(nèi)的溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)是相互影響、相互作用的，溫度的變化會(huì)影響織物表面蒸發(fā)率、濕擴(kuò)散系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容等的變化，分析兩者的耦合作用，將更加符合實(shí)際微氣候中織物特性。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱濕的研究越來(lái)越嚴(yán)謹(jǐn)、系統(tǒng)，學(xué)科的延伸更加拓寬了研發(fā)途徑?？椢锏臒釢耨詈现饾u轉(zhuǎn)化為了一個(gè)物理分析問(wèn)題。一些學(xué)者根據(jù)熱質(zhì)傳遞的特點(diǎn)，在流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)上，將紡織和數(shù)學(xué)很好地結(jié)合起來(lái)[1-10]，但對(duì)傳熱導(dǎo)濕過(guò)程的描述模糊，也沒(méi)有考慮到液態(tài)與氣態(tài)的傳送機(jī)理，與實(shí)際的情況差距較大，限制了應(yīng)用范圍[1-5]。隨后在對(duì)模型改進(jìn)時(shí)，細(xì)化了熱濕耦合中汽液轉(zhuǎn)換及熱量傳遞，如考慮蒸發(fā)/凝結(jié)相變的熱、濕傳遞等，除此之外，傳質(zhì)過(guò)程也被考慮進(jìn)去。但是，介質(zhì)本身所具有的物理性能被忽略，如吸濕性能，且多以靜態(tài)條件為前提，設(shè)定的臨界條件理想，需要進(jìn)一步完善。近年服裝的熱濕研究涉及到包括熱學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、紡織材料等方面，多相流體力學(xué)的較大發(fā)展帶動(dòng)了許多交叉領(lǐng)域的進(jìn)步，紡織和力學(xué)的結(jié)合更是為這個(gè)古老學(xué)科帶來(lái)了新的契機(jī)。本文以紡織品為對(duì)象，回顧了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外多孔織物熱濕耦合數(shù)值模擬的研究成果，并總結(jié)了常用的數(shù)值模擬途徑及研究趨勢(shì)。

圖1 人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)中的物理過(guò)程Fig.1 The physical process of the body-clothing-environment system

1 織物的熱濕耦合研究現(xiàn)狀

1.1 織物性能對(duì)熱濕耦合的影響研究

服裝面料的框架是柔性纖維材料，紗線之間和纖維之間存在空氣，服裝面料的熱濕傳遞有其特殊性，即纖維材料有吸濕和放濕的能力，紗線間及纖維間的孔隙能傳遞液態(tài)水和氣態(tài)水，伴隨的熱量傳導(dǎo)帶動(dòng)水分相變，從而造成能量轉(zhuǎn)移。所以要分析織物的熱濕耦合過(guò)程，織物本身性能是重要的影響因素。

1.1.1 織物結(jié)構(gòu)對(duì)熱濕耦合的影響研究

織物作為一種非飽和多孔介質(zhì)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。經(jīng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)證明，多孔介質(zhì)大孔隙的形狀、排列方式連通性預(yù)計(jì)及方向的不同會(huì)造成有效導(dǎo)熱系數(shù)的波動(dòng)，尤其是連通性和方向?qū)Χ嗫捉橘|(zhì)的導(dǎo)熱性能有很大影響[6]。對(duì)于一些功能紡織品，以無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣為例，組織密度對(duì)面料的吸水率、透濕率、蒸發(fā)速率、吸水速率、擴(kuò)散速度、單向傳導(dǎo)能力及綜合傳遞指數(shù)、透氣率、熱阻均有顯著性影響[7]。通過(guò)數(shù)值模擬研究表明，不同組織結(jié)構(gòu)織物的熱濕傳遞還與紗線的彎曲形狀有關(guān)[8]，另外顆粒與顆粒之間還存在接觸熱阻，因此多孔介質(zhì)模型的研究就顯得十分困難。

從微觀角度對(duì)織物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是目前主要的研究途徑，而分型理論是目前常用的微觀分析方式。2012年鄭仟[9]采用分型原理，以毛細(xì)管束模型來(lái)描述多孔介質(zhì)，類分形樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)模擬裂縫網(wǎng)絡(luò)，用毛細(xì)管束模型描述基質(zhì)介質(zhì)，推導(dǎo)了構(gòu)建的雙重多孔介質(zhì)中氣體流動(dòng)的滲透率的理論模型。因氣體滲透率被表示成多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，模型中沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，所以比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢越沂靖嗟奈锢頇C(jī)制。Zhu[10]在熱質(zhì)耦合的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一個(gè)多孔介質(zhì)孔隙尺寸分布的分形數(shù)學(xué)模型，如下式所示：

(1)

(2)

(3)

εl+εg+εf=1

(4)

在引入分型維數(shù)、空隙率參數(shù)，并規(guī)范初始條件和邊界條件，對(duì)空隙間的水蒸氣濃度分布，液體水的體積分?jǐn)?shù)，多孔纖維材料的溫度變化及水的相對(duì)分子質(zhì)量分布進(jìn)行數(shù)值模擬。從微觀角度分析，織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)多當(dāng)作規(guī)則形狀處理。徐定華[11]考慮具有平行圓柱孔結(jié)構(gòu)的紡織材料中熱濕傳遞問(wèn)題，提出了熱濕傳遞數(shù)學(xué)模型(即一類非線性常微分方程組的邊值問(wèn)題)。在對(duì)方程組進(jìn)行解耦后，利用有限差分法和數(shù)值積分把該問(wèn)題離散化為一個(gè)非線性代數(shù)方程組。平行圓柱孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)想簡(jiǎn)化了模型的影響因子，與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果十分接近，這是值得借鑒的地方。

1.1.2 織物熱物理性能對(duì)熱濕耦合的影響研究

新型材料的不斷涌現(xiàn)，為織物熱濕耦合的研究帶來(lái)了新的契機(jī)，相變材料以其隨溫度變化而改變形態(tài)并能提供潛熱的特性，在服裝領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，含相變微膠囊較多的服裝具有較好的熱感覺(jué)和舒適性[12]。李鳳志等[13-14]開(kāi)發(fā)了一個(gè)含有相變材料的織物熱濕耦合模型，對(duì)傳統(tǒng)的熱濕耦合模型進(jìn)行了改進(jìn)。該模型考慮了相變區(qū)間對(duì)相變及傳熱過(guò)程的影響及加熱/冷卻率對(duì)相變材料特征溫度和相變熱的影響，能夠很好地預(yù)測(cè)含有相變微膠囊織物內(nèi)的熱濕傳遞過(guò)程。隨后又發(fā)展了含單一和多種類型相變微膠囊的服裝內(nèi)熱濕傳遞機(jī)理模型，為智能服裝的面料設(shè)計(jì)提供了很好的理論指導(dǎo)，但是該模型沒(méi)有考慮到紗線漲縮。

多孔介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，孔隙結(jié)構(gòu)、通道直徑及圓角變化都會(huì)對(duì)熱濕耦合產(chǎn)生影響，借助數(shù)值模擬的方式，探究這些因素的影響能夠幫助更加深入地了解熱濕耦合的機(jī)理，而目前未見(jiàn)到比較系統(tǒng)、深入的研究?？椢锏臒嵛锢硇阅軙?huì)影響到濕耦合模型中的關(guān)鍵因子，如有效熱阻、透濕率、液態(tài)水體積分?jǐn)?shù)、水蒸氣濃度等。先前所建模型考慮的織物形態(tài)及性能比較理想，多從微觀形態(tài)的建立模型，即從單位研究對(duì)象去推理整個(gè)織物的特性，這樣就限制了模型的應(yīng)用。

什么是幸福課堂？幸福的課堂，應(yīng)該是和諧、融洽的，機(jī)靈、開(kāi)放、互動(dòng)的，充滿知識(shí)性、趣味性又能讓學(xué)生體驗(yàn)到自己存在價(jià)值的課堂。隨著心理學(xué)進(jìn)入21世紀(jì)，關(guān)注人類幸福感的積極心理學(xué)運(yùn)動(dòng)日益聲勢(shì)浩大。積極心理學(xué)在教育界也得到了廣泛響應(yīng)。美國(guó)哈佛大學(xué)、英國(guó)惠靈頓學(xué)院及香港中文大學(xué)先后開(kāi)設(shè)講授積極心理學(xué)的幸福課，深受學(xué)生歡迎。本文將結(jié)合積極心理學(xué)的理論體系，探討如何運(yùn)用積極心理學(xué)構(gòu)建小學(xué)幸福課堂。

1.2 不同物理現(xiàn)象下的織物熱濕耦合研究

目前，很多學(xué)者從流體力學(xué)和熱力學(xué)的角度來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，模擬多孔介質(zhì)的內(nèi)部流場(chǎng)，簡(jiǎn)化模型及邊界條件的設(shè)置，以減少建模時(shí)間[15]。首先在空氣厚度的研究方面，2011年黃冬梅[16]基于多孔介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)模型和生物傳熱模型，發(fā)展了環(huán)境-織物-空氣層-皮膚熱濕耦合模型，模型考慮了各層織物之間存在空氣層及各層織物之間的相互影響。2012年學(xué)者Yoshio Morozumi[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究出汗薄膜和非織造布片之間的熱濕傳遞。在空隙和服裝間的熱傳導(dǎo)與水分?jǐn)U散的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)數(shù)學(xué)模型，研究出空氣層的厚度大小對(duì)濕傳遞的影響。不足之處就是針對(duì)不同的空隙高度和加熱條件的影響缺乏探討，所得結(jié)果理解相對(duì)困難。

其次在熱濕傳遞的過(guò)程中各相轉(zhuǎn)化問(wèn)題上，2007年H.Huang[18]研究了一維背景下纖維性復(fù)合材料中的熱濕傳遞，提出了一個(gè)伴有相變現(xiàn)象的多組分、多相流動(dòng)模型，模型中考慮了液態(tài)水流動(dòng)的毛細(xì)管作用?？追布t[19]在含濕量梯度為質(zhì)驅(qū)動(dòng)勢(shì)的條件下，對(duì)界面處的質(zhì)量和能量方程進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，對(duì)多層多孔介質(zhì)熱質(zhì)耦合傳遞的模擬結(jié)果更符合實(shí)際，所建立的機(jī)理模型如圖2所示。Xu[20]建立了一個(gè)在低溫下多孔織物動(dòng)態(tài)耦合模型，充分考慮凝結(jié)水分遷移、變量初始條件及邊界條件，這一研究能為功能材料的設(shè)計(jì)、熱濕舒適性指標(biāo)提供有用信息。

在動(dòng)態(tài)熱濕耦合模型研究方面，以FAN Jintu[21-23]等的研究為代表。早前提出一個(gè)通過(guò)纖維性隔熱層的熱濕耦合的動(dòng)態(tài)模型，模型中考慮了蒸發(fā)和移動(dòng)凝結(jié)，該模型成功地解釋了Farnworth的實(shí)驗(yàn)觀察，并且模型的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度良好。隨后提出在纖維性隔熱層中伴有相變和移動(dòng)凝結(jié)現(xiàn)象的熱濕耦合傳遞的改進(jìn)模型。在新模型中，考慮了壓力梯度引起的水分運(yùn)動(dòng)，冷凝區(qū)域的超飽和狀態(tài)及纖維材料的動(dòng)態(tài)吸濕和液體凝聚的流動(dòng)。在最新的研究中，基于以上動(dòng)態(tài)模型的兩層織物的熱濕傳遞模型，除了考慮傳導(dǎo)、輻射外，還考慮了織物與外界環(huán)境的對(duì)流換熱。但是以上這些模型都沒(méi)有考慮織物本身的結(jié)構(gòu)特征。

圖2 多層多孔材料控制體界面含濕量分布示意Fig.2 Moisture content distribution diagram of interface control of multilayer porous materials

目前建立的織物熱濕耦合模型多考察常壓條件下纖維層內(nèi)流體的一維流動(dòng)，與實(shí)際情況不符。對(duì)流傳熱，迎風(fēng)點(diǎn)的位置，風(fēng)速度等因素都會(huì)對(duì)服裝內(nèi)的傳熱、傳濕過(guò)程產(chǎn)生影響。研究特殊環(huán)境條件，特別是氣流對(duì)著裝人體影響是完善熱濕耦合模型的重要任務(wù)。

2 熱濕耦合數(shù)值模擬途徑

微氣候中流體的流動(dòng)與傳熱通?？梢杂梢唤M偏微分方程描述，變量的關(guān)系都是高度非線性的，采用傳統(tǒng)的解析求解方法是不實(shí)際也是不可行的，計(jì)算機(jī)

的發(fā)展使人們借助于先進(jìn)成果來(lái)解決復(fù)雜流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的想法得以實(shí)現(xiàn)。綜合分析上述文獻(xiàn)中的研究方法，并結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值分析方法，對(duì)多孔織物熱濕耦合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析的可能途徑可以概括為以下四種。

2.1 以Luikov傳熱傳質(zhì)耦合方程為基礎(chǔ)的數(shù)值分析方法

數(shù)值分析方法考慮了傳熱傳質(zhì)過(guò)程中吸熱/放熱，根據(jù)濕氣遷移過(guò)程中的質(zhì)量守恒和能量守恒原理，建立偏微分方程組。同時(shí)利用數(shù)值解析的方法來(lái)求解方程組進(jìn)而得到熱、濕度場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)變化的解析解[24]，所以，織物作為一種典型的多孔介質(zhì)，在熱濕耦合的研究中可以采用此方法。針對(duì)求解耦合方程，存在不同的求解方法，Qin Menghao等[25]對(duì)使用傳遞函數(shù)求解多孔材料中的熱濕擴(kuò)散耦合傳輸進(jìn)行了探索。并對(duì)無(wú)限長(zhǎng)空心圓柱耦合的傳輸方程進(jìn)行了求解，有較強(qiáng)的參考價(jià)值。王元妹[26]采用有限差分法對(duì)多孔介質(zhì)材料的一維和二維瞬態(tài)傳熱、傳濕進(jìn)行模擬研究，得出空心圓柱、平板內(nèi)部的溫度及含濕量的動(dòng)態(tài)分布。在求解過(guò)程中考慮到了瞬態(tài)邊界條件，使計(jì)算結(jié)果更精確，對(duì)多孔材料的裂紋分析具有重要的借鑒作用。程建新[27]對(duì)耦合常微分方程組的定解問(wèn)題設(shè)計(jì)了有效的數(shù)值算法，通過(guò)數(shù)值模擬后，證明該方法的有效性與實(shí)用性，但是數(shù)值解的唯一性或穩(wěn)定性還不能證明，仍然需要改進(jìn)。在2011年，張小彬等[28]將多孔介質(zhì)一維化，在LuiKov方程的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入無(wú)量綱溫、濕度，使方程得到了簡(jiǎn)化，如式(5)(6)所示。

(5)

(6)

采用拉普拉斯變換和傳遞函數(shù)方法，得到了一維熱濕耦合傳遞問(wèn)題的解析解，所得結(jié)果能夠很好地預(yù)測(cè)熱濕耦合。但研究方法中所涉及的材料吸濕性能沒(méi)有考慮，而材料的吸濕性會(huì)對(duì)濕熱傳遞過(guò)程產(chǎn)生一些影響。

2.2 有限容積分析法

在流體力學(xué)和傳熱學(xué)的控制方程推演過(guò)程中，通常使用微元體的概念來(lái)建立物理模型，而在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，可以借助生成網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)子區(qū)域應(yīng)用微元體的概念建立物理模型[29]。有限容積法在目前的流動(dòng)傳熱問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用廣泛，成為了科學(xué)研究的重要工具，其守恒性和物理概念明顯的特點(diǎn)是其他數(shù)值方法無(wú)法相比的。如李鳳志等[30]給出了一種基于控制體積法和時(shí)域遞歸展開(kāi)的求解織物熱濕傳遞耦合方程的算法，具體就是化連續(xù)性的非線性微分方程組為一系列的遞歸形式的線性代數(shù)方程組，該方法的預(yù)測(cè)結(jié)果具有不依賴時(shí)間步長(zhǎng)的特點(diǎn)。朱云飛[14]對(duì)相變微膠囊織物內(nèi)部的熱濕傳遞機(jī)理進(jìn)行深入研究，詳細(xì)講解了有限容積過(guò)程，但是該模型對(duì)冬季的低溫環(huán)境并不適用，針對(duì)人體的溫濕度控制系統(tǒng)仍然需要完善。

2.3 有限元分析方法

在科學(xué)研究與工程數(shù)值模擬中，經(jīng)常需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)分析計(jì)算，在科研工作中有限元法是應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法之一，是解決科學(xué)技術(shù)問(wèn)題的主要工具。朱正剛等[31]基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的宏觀尺度對(duì)多孔介質(zhì)的熱、濕和氣三者耦合遷移進(jìn)行數(shù)值模擬，研究壓力梯度對(duì)熱質(zhì)傳輸?shù)挠绊?。他的突破點(diǎn)是采用Galerkin加權(quán)余量的有限元方法，提出了溫度、含濕量和氣相壓力在Dirichlet邊界條件及混合邊界條件下的三維耦合數(shù)值模型。當(dāng)前常見(jiàn)的大型商業(yè)有限元軟件有ANSYS、MSC/Nastran、ALGOR等。以ANSYS Multiphysics為例，由于ANSYS軟件具有建模簡(jiǎn)單、快速、方便的特點(diǎn)，因而成為大型通用有限元程序的代表[32]?？蛇M(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體，以及電磁場(chǎng)等的數(shù)值計(jì)算[33]。能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)之間的耦合分析，減少了假設(shè)和簡(jiǎn)化過(guò)程，精度更高，縮短完成時(shí)間，使科研活動(dòng)更加高效。

2.4 基于多物理場(chǎng)的仿真軟件應(yīng)用

目前，通常接觸到的大型商業(yè)軟件主要以工程技術(shù)應(yīng)用為主，而對(duì)于科學(xué)研究理論與工程模擬密切結(jié)合的分析軟件以FEPG(Finite Element Program Generator)具有代表性。FEPG是一個(gè)專業(yè)有限元數(shù)值分析軟件包，是基于偏微分方程的科學(xué)與工程問(wèn)題進(jìn)行建模及仿真計(jì)算的交互開(kāi)發(fā)環(huán)境系統(tǒng)，而偏微分方程是科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)和根本[34-35]。與同類型的通用程序比較，通用程序僅能解決某一類型或某幾種類型的問(wèn)題，而FEPG可以生成解決任何有限元問(wèn)題的程序[36]。雖然FEPG是一個(gè)強(qiáng)大的分析工具，能夠定義和耦合任意數(shù)量偏微分方程，且在內(nèi)存占用、計(jì)算速度和準(zhǔn)確率方面都有優(yōu)勢(shì)[37]，但對(duì)織物濕熱傳輸耦合作用能否進(jìn)行簡(jiǎn)單易行的分析，還有待于相關(guān)實(shí)踐的驗(yàn)證。

針對(duì)流體熱學(xué)的研究雖然很多，但基于熱濕耦合傳遞模擬的方法選擇以數(shù)值解析法、有限元分析為主要考慮對(duì)象。結(jié)合上述的研究途徑，有限容積分析法和有限元仿真軟件在熱濕耦合模擬研究中的可行性較高，但需要結(jié)合織物特點(diǎn)進(jìn)行合理選擇和改進(jìn)。

3 發(fā)展趨勢(shì)

多孔織物熱濕耦合模型的發(fā)展十分迅速，模型應(yīng)該更加真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際生活中千變?nèi)f化的外部環(huán)境，綜合分析現(xiàn)有關(guān)于織物熱濕耦合及數(shù)值模擬研究的文獻(xiàn)，多孔織物熱濕耦合模型發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 織物熱濕參數(shù)的量化研究

在一定的環(huán)境條件下，織物熱濕基本參數(shù)會(huì)隨著溫度、濕度的變化而變化，如織物中水氣的變化會(huì)引起織物物性參數(shù)的改變，織物內(nèi)發(fā)生各相的轉(zhuǎn)變，會(huì)改變織物的傳熱傳濕過(guò)程。而大多數(shù)模型，熱濕參數(shù)是以常數(shù)處理，因此是不合理的。一般在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下測(cè)量織物的熱物性參數(shù)，需要很長(zhǎng)的預(yù)熱過(guò)程，配置復(fù)雜，且對(duì)邊界條件的要求比較嚴(yán)格。非穩(wěn)態(tài)下測(cè)試時(shí)間短，干擾少，且能同時(shí)測(cè)量多個(gè)熱物性參數(shù)[38]。同時(shí)考慮到纖維材料的多相多孔容易引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部自然對(duì)流、水分蒸發(fā)等現(xiàn)象，會(huì)影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在局部非熱平衡狀態(tài)下，材料熱物性參數(shù)對(duì)熱濕耦合強(qiáng)弱的影響是急需解決的課題方向。

3.2 極端環(huán)境下熱濕耦合模擬研究

直接對(duì)極端情況下織物熱濕耦合的研究非常少(主要見(jiàn)于國(guó)內(nèi))，而且多數(shù)的研究并不是以研究織物熱濕耦合為目的，一些織物耦合研究并沒(méi)有真正反映出熱濕耦合作用。尤其是目前模型建立多以一維為主，在預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)分布上存在缺陷，織物的熱濕傳遞在厚度和寬度方向不能得到描述，譬如相鄰的兩點(diǎn)間的熱濕傳遞不能被描述[32]。同時(shí)邊界上的熱/濕源，或者區(qū)域熱/濕源都不能在一維模型中被描述。在多維方向尤其是非穩(wěn)態(tài)條件下，能夠比較全面反映出的熱濕耦合機(jī)理研究仍然欠缺。

3.3 多層織物熱濕耦合機(jī)理探討

實(shí)際生活中，人體多是多層結(jié)構(gòu)的著裝狀態(tài)，因此研究多層服裝的熱濕耦合機(jī)理十分重要。當(dāng)前對(duì)多層服裝的研究存在不足，在加熱制冷方面的研究較少，在熱輻射、熱對(duì)流方面更少，而且多層熱濕耦合模型也多建立在一維方向，在影響因子預(yù)測(cè)上存在缺陷[19]。建立多層織物熱濕耦合模型時(shí)，不僅要考慮到空氣層間的熱濕轉(zhuǎn)換過(guò)程，織物本身的熱物理參數(shù)、厚度，甚至纖維的熱分解反應(yīng)也會(huì)對(duì)熱濕耦合產(chǎn)生影響，完善多層織物的熱濕耦合機(jī)理也是目前重要的研究方向。

4 結(jié) 語(yǔ)

多孔織物熱濕耦合模型的研究經(jīng)歷了很長(zhǎng)一段時(shí)期，從最初的機(jī)理描述到現(xiàn)在的仿真模擬技術(shù)的應(yīng)用，取得了很大的進(jìn)步。本文從近年來(lái)織物性能和不同物理現(xiàn)象下的研究熱點(diǎn)出發(fā)，指出模型考慮的織物形態(tài)及性能比較理想，多從微觀形態(tài)的建立模型，限制了模型的應(yīng)用，同時(shí)織物熱濕耦合模型目前建立的織物熱濕耦合模型多考察常壓條件下纖維層內(nèi)流體的一維流動(dòng)，與實(shí)際情況不符。缺乏對(duì)流傳熱，迎風(fēng)點(diǎn)的位置，風(fēng)速度等因素的考慮。其次從數(shù)值分析方法、有限容積法、有限元法及仿真軟件的應(yīng)用概述了常用的數(shù)值模擬途徑。目前的研究主要基于一維條件下的熱濕傳遞機(jī)理，并逐步得到完善，但是在織物本身的物理屬性與結(jié)構(gòu)特征考慮較少，極端環(huán)境下的熱濕耦合模型仍然存在研究缺陷。此外，多層織物熱濕耦合模型的也構(gòu)建十分迫切，尤其是三維方向研究欠缺。多孔織物熱濕耦合的研究需要借鑒多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)理論的相關(guān)理論，通過(guò)合理的調(diào)整應(yīng)用到織物的熱濕耦合研究中。對(duì)熱濕耦合機(jī)理分析及數(shù)值模擬的過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)，這樣才能使成果更加合理通用，在實(shí)際的分析及預(yù)測(cè)中也更加準(zhǔn)確。

[1]HENRY P S H. The diffusion of moisture and heat through textiles[J]. Discussions of the Faraday Society,1948(3):243-257.

[2]NORDON P, DAVID H G. Coupled diffusion of moisture and heat in hygroscopic textile materials[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1967,10(7):853-866.

[3]OGNIEWICZ Y, TIEN C L. Analysis of condensation in porous insulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1981,24(3):421-429.

[4]MOTAKEF S, EL-Masri M A. Simultaneous heat and mass transfer with phase change in a porous fabric[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1986,29(10):1503-1512.

[5]MURATA K. Heat and mass transfer with condensation in a fibrous insulation slab bounded on one side by a cold surface[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1995,38(17):3253-3262.

[6]李小川,徐友偉,黃庠永.大孔隙對(duì)多孔介質(zhì)導(dǎo)熱性能影響的數(shù)值分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2012,39(6):76-79. LI Xiaochuan, XU Youwei, HUANG Xiangyong. Numerical analysis of the influence of macropore on thermal conductivity of porous media[J]. Journal of North China Electric Power University,2012,39(6):76-79.

[7]魏林娜.織物結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料性能影響的研究[D].北京:北京服裝學(xué)院,2012. WEI Linna. Reaserch of the Effect of Fabric Structure on the Performance of Seamless Sports Underwear[D]. Beijing: Beijing Institute of Fashion Technology,2011.

[8]鄭連鋒.織物參數(shù)與結(jié)構(gòu)對(duì)服裝熱濕舒適性影響規(guī)律的研究[D].青島:青島大學(xué),2004. ZHENG Lianfeng. Study for the Effect of Fabric Parameters and Struture on the Heat and Moisture Comfort[D]. Qingdao: Qingdao University,2004.

[9]鄭仟.分形多孔介質(zhì)中氣體流動(dòng)與擴(kuò)散的輸運(yùn)特性研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012. ZHENG Qian. Study of Some Transport Properties for Gas Flow and Diffusion through Fractal Porous Media[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2012.

[10]ZHU Q Y, XIE M H, YANG J, et al. A fractal model for the coupled heat and mass transfer in porous fibrous media[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2011,54(7):1400-1409.

[11]徐定華,葛美寶.一類紡織材料熱濕傳遞模型的數(shù)值解法[J].江西科學(xué),2010,28(5):578-582. XU Dinghua, GE Meibao. A Numerical method of a heat and moisture transfer model in Textiles[J]. Jiangxi Science,2010,28(5):578-582.

[12]李鳳志,王鵬飛,涂強(qiáng),等.相變服裝對(duì)人體動(dòng)態(tài)熱感覺(jué)影響模型[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(2):262-267. LI Fengzhi, WANG Pengfei. Numerical simulation for influences of garment with phase change materials on dynamic thermal sensation of human body[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2011,43(2):262-267.

[13]李鳳志,吳成云,李毅.附加相變微膠囊多孔織物熱濕傳遞模型研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008,48(2):162-167. LI Fengzhi, WU Chengyun, LI Yi. A model of heat and moisture transfer in porous textiles with microencapsulated phase change materials[J]. Journal of Dalian University of Technology,2008,48(2):162-167.

[14]朱云飛.相變服裝熱濕傳遞機(jī)理及對(duì)人體熱響應(yīng)影響的模型研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011. ZHU Yunfei. Modeling and Simulation of Heat and Moisture Transfer in PCM Clothing and Influences on Human Thermal Responses[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2011.

[15]張明寶.多孔介質(zhì)流場(chǎng)的熱模擬方法[J].電站輔機(jī),2012,33(2):9-12. ZHANG Mingbao. The method of thermal simulation in flow field with porous media[J]. Power Station Auxiliary Equipment,2012,33(2):9-12.

[16]黃冬梅.低輻射強(qiáng)度條件下消防戰(zhàn)斗服內(nèi)部熱濕傳遞機(jī)理研究[D].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2011. HUANG Dongmei. Study on the Heat and Moisture Transfer Mechanism in Firefighters’ Protective Clothing under Low Heat Flux[D]. Hefei: University of Science and Technology of China,2011.

[17]MOROZUMI Y, AKAKI K, TANABE N. Heat and moisture transfer in gaps between sweating imitation skin and nonwoven cloth: effect of gap space and alignment of skin and clothing on the moisture transfer[J]. Heat and Mass Transfer,2012,48(7):1235-1245.

[18]HUANG Huaxiong, YE Changhua, SUN Weiwei. Moisture transport in fibrous clothing assemblies[J]. Journal of Engineering Mathematics,2008,61(1):35-54.

[19]孔凡紅.多層多孔介質(zhì)層間界面處的熱質(zhì)耦合傳遞[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2010,31(10):1281-1286. KONG Fanhong. Coupled transfer of heat and masks at interface multilayer porous media[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2010,31(10):1281-1286.

[20]XU Dinghua, GE Meibao, ZHANG Haili. Numerical solution of a dynamic model of heat and moisture transfer in porous fabric under low temperature[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,61:149-157.

[21]FAN Jintu, WEN Xinghuo. Modeling heat and moisture transfer through fibrous insulation with phase change and mobile condensates[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2002,45(19):4045-4055.

[22]FAN Jintu, CHENG Xiaoyin, WEN Xinhuo, et al. An improved model of heat and moisture transfer with phase change and mobile condensates in fibrous insulation and comparison with experimental results[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2004,47(10):2343-2352.

[23]WU Huijun, FAN Jintu. Study of heat and moisture transfer within multi-layer clothing assemblies consisting of different types of battings[J]. International Journal of Thermal Sciences,2008,47(5):641-647.

[24]CERNY R, ROVNANIKOVA P. Transport Processes in Concrete[M]. London: Taylor & Francis,2004.

[25]QIN Menghao, BELARBI R. Development of an analytical method for simultaneous heat and moisture transfer in building materials utilizing transfer function method[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2005,17(5):492-497.

[26]王元妹.多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)及熱濕應(yīng)力分析[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008. WANG Yuanmei. The Analysis of the Process of Heat and Mass Transfer in Porous Media and Hygrothermal Stress[D] Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2008.

[27]程建新.紡織材料熱濕傳遞的數(shù)學(xué)模型研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2011. CHENG Jianxin. Study on Mathematical Model of Heat and Moisture Transfer Through Textiles[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University,2010.

[28]張小彬,朱衛(wèi)兵,譚斯鵬.一維多孔介質(zhì)熱濕耦合傳遞問(wèn)題的解析解[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2011,32(8):984-987. ZHANG Xiaobin, ZHU Weibing, TAN Sipeng. Theoretical analysis of computing coupled heat and moisture transfer in a one-dimensional porous medium[J]. Journal of Harbin Engineering University,2011,32(8):984-987.

[29]潘陽(yáng).計(jì)算傳熱學(xué)理論及其在多孔介質(zhì)中的應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2011:9-16. PAN Yang. Calculation of Heat Transfer Theory and its Application in Porous Media[M]. Beijing: Science Press,2011:9-16.

[30]李鳳志,李毅,曹業(yè)玲.求解織物熱濕耦合方程的控制體一時(shí)域遞歸展開(kāi)算法[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2009,41(3):319-323. LI Fengzhi, LI Yi, CAO Yeling. Control volume-time domain recursive method for solving coupled equations of heat and moisture transfer in fabrics[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2009,41(3):319-323.

[31]朱正剛.多孔介質(zhì)在壓力梯度作用下的熱質(zhì)耦合數(shù)值模擬[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(3):388-393. ZHU Zhenggang. Numerical simulation of coupled heat and mass transfer under the effect of pressure gradient in porous media[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics,2011,28(3):388-393.

[32]鐘鳴.多孔織物二維動(dòng)態(tài)耦合熱濕傳遞模型研究及數(shù)值仿真[D].廣州:中山大學(xué),2006. ZHONG Ming. Research and Numerical Simulation of Dynamic Coupled Heat and Moisture Transfer in Porous Textiles[D]. Guangzhou: Zhongshan University,2006.

[33]趙恒華,高興軍.ANSYS軟件及其使用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2004,5:20-23. ZHAO Henghua, GAO Xingjun. Software of ANSYS and its usage[J]. Manufacturing Automation,2004,5:20-23.

[34]張紅霞,杜永勝.ANSYS軟件在流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].廣東化工,2010,37(2):152-153. ZHANG Hongxia, DU Yongsheng. The research and application of ANSYS software in fluid mechanics teaching[J]. Guangdong Chemical Industry,2010,37(2):152-153.

[35]梁琳.科學(xué)研究與工程數(shù)值模擬的必備工具-FEMLAB[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2005(10):48-49. LIANG Lin. Numerical simulation of scientific research and engineering tool-FEMLAB[J]. CAD/CAM and Manufacturing Information,2005(10):48-49.

[36]梁國(guó)平,唐菊珍.有限元分析軟件平臺(tái)FEPG[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2011,20(3):92-96. LIANG Guoping, TANG Juzhen. Finite element analysis software platform FEPG[J]. Computer Aided Engineering,2011,20(3):92-96.

[37]ENERPAC B V, KREMER I. Benchmarks of scientific modelling software reveal that FEMLAB rivals specialised packages[J]. Materials and Design,2005,26(3):259-260.

[38]左磊.纖維材料熱物理性能非穩(wěn)態(tài)測(cè)試方法研究[D].上海:東華大學(xué),2011. ZUO Lei. The Research of Unsteady-statet Test Method for Fiber Material’s Thermal[D]. Shanghai: Donghua University,2011.

Simulation Study on Heat and Moisture Coupling of Porous Fabrics

XIE Lulu1, CONG Shan1, XIE Qian2

(1.Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China; 2. Fashion and Art Design College, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

This paper deeply explores important significance of heat and moisture coupling on heat and moisture comfort of clothing, reviews the research progress of heat and moisture coupling of porous fabrics in recent years, including effects of fabric properties on heat and moisture coupling and study on heat and moisture coupling under different physical phenomena, summarizes common four approaches for numerical simulation of heat and moisture coupling: numerical analysis method based on Luikov heat and mass transfer coupling equation, finite volume method, the finite element analysis method and simulation software application based on multi-physics field. Based on the above analysis, this paper proposes that heat and moisture coupling simulation should be deeply studied from the aspects of heat and moisture parameter quantification, extreme environmental conditions and heat and moisture coupling mechanism of multiple fabrics and pay attention to combination of porous medium heat and mass transfer theory and fabric features to perfect analysis of heat and moisture coupling mechanism and numerical simulation process.

porous fabric; micro-climate; heat and moisture coupling; numerical simulation

10.3969/j.issn.1001-7003.2014.06.009

2013-11-15;

2014-02-27

上海工程技術(shù)大學(xué)高水平培育項(xiàng)目(A-0508-13-01032 - 2012gp32)

謝璐璐(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗫卓椢餆釢耨詈蠙C(jī)理模擬。通信作者：叢杉，副教授，cong_3@126.com。

TS941.19

A

1001-7003(2014)06-0041-07