織物熱傳遞的數(shù)值模擬研究進(jìn)展

張鶴譽(yù)，趙曉明，2，鄭振榮，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)，天津300387；2.天津工業(yè)大學(xué)教育部先進(jìn)紡織復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

近年來，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的進(jìn)步迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。模擬仿真技術(shù)是指遵循相似原理（幾何、環(huán)境及性能相似），用模型（物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究［1］。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬試驗(yàn)可得到大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，更全面研究物理現(xiàn)象，也可評(píng)估大型實(shí)驗(yàn)裝置，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件或?qū)嶒?yàn)參數(shù)，避免經(jīng)濟(jì)損失和人力浪費(fèi)。在許多行業(yè)，如化工、冶金、建筑、航空航天、消防等，常要求所使用的紡織材料具有良好的隔熱、阻燃特性，其性能測(cè)試大多在高溫條件下進(jìn)行，但實(shí)驗(yàn)條件難以控制，同時(shí)增加了研發(fā)成本和周期，浪費(fèi)了資源。

從20世紀(jì)80年代后期開始，紡織材料的研究者們不斷研發(fā)和改進(jìn)織物熱傳遞性能的數(shù)學(xué)模型［2］，模擬實(shí)驗(yàn)效果。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛷囊痪S平面?zhèn)鳠釞C(jī)制不斷向二維、三維織物結(jié)構(gòu)模型方向發(fā)展，模擬效果更加趨向于真實(shí)化。

1 織物模型的建立方法

數(shù)學(xué)模型的建立是對(duì)織物進(jìn)行熱傳遞性能數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)，其建模方法主要有：幾何方法、物理方法和混合方法［3］。早期研究主要基于織物幾何特性建立模型，這種方法優(yōu)點(diǎn)是模擬速度快，但它未考慮織物的物理屬性?；谖锢硖匦缘慕７椒ㄊ墙陙砜椢锝５陌l(fā)展重點(diǎn)，盡管計(jì)算復(fù)雜，但它具有三維構(gòu)型和動(dòng)態(tài)模擬，效果真實(shí)?；旌辖７椒ㄊ菐缀畏椒ê臀锢矸椒ǖ慕Y(jié)合，在紡織領(lǐng)域，目前僅處于研究的初級(jí)階段。

2 熱傳遞的基本理論

織物熱傳遞的基本方式有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種［4］。

2.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是指完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

式中，q″為熱流密度（W／m2）；k為導(dǎo)熱系數(shù)（W／m－℃）；負(fù)號(hào)表示熱量流向溫度降低的方向。

2.2 熱對(duì)流

熱對(duì)流是指固體的表面與其他周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對(duì)流分為兩種：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來表示：

式中，h為對(duì)流換熱系數(shù)；TS為固體表面的溫度；TB為周圍流體的溫度。

2.3 熱輻射

熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。它們之間的凈熱量傳遞可以用Stefan－Boltzmann（斯蒂芬－波爾茲曼）方程來計(jì)算：

式中，q為熱流率；ε為輻射率（黑度）；σ為Stefan－Boltzmann常數(shù)，約為5.67×10－8W／（m2·K4）；A1為輻射面1的面積；F12為輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的絕對(duì)溫度；T2為輻射面2的絕對(duì)溫度。由上式可知，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。

3 織物熱傳遞數(shù)值模擬的研究進(jìn)展

利用數(shù)值模擬方法對(duì)纖維多孔材料的熱傳遞性能進(jìn)行模擬，可為各種纖維隔熱產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、隔熱性能的評(píng)估和優(yōu)化等提供重要的理論基礎(chǔ)。近年來，國(guó)內(nèi)外的一些研究團(tuán)隊(duì)在利用數(shù)值方法對(duì)纖維隔熱材料的隔熱性能進(jìn)行評(píng)估方面做了一些有益的嘗試。

采用有限體積法建立數(shù)學(xué)模型，最初是將織物單元看作簡(jiǎn)單三角形模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，不能直觀地表征織物的熱傳遞性能。在此基礎(chǔ)上，東華大學(xué)的鞏彥如等［5］建立了簡(jiǎn)化的一維織物傳熱模型，將織物看作平面四邊形單元，并在ANSYS軟件中進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，對(duì)不同熱流密度下熱防護(hù)材料的隔熱性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。范金土等［6－7］建立了熱濕傳遞模型（見圖1），將織物看成是勻質(zhì)平板，該模型考慮了溫度和水分含量對(duì)織物熱傳遞的影響，模型中包括熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種能量傳遞方式。通過對(duì)熱濕傳遞的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)初始水含量、纖維層厚度和環(huán)境溫度是影響熱通量的三個(gè)最重要因素，此模型可以應(yīng)用于功能織物的設(shè)計(jì)。V.P.Chandra Mohan等［8］研究了潮濕織物在對(duì)流干燥情況下，通過建立三維數(shù)值模型預(yù)測(cè)織物的瞬態(tài)溫度和水分分布。該模型包括外部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的建模以及內(nèi)部溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的建模，全隱式格式的有限體積法用于控制瞬態(tài)熱濕傳遞方程的離散化，同時(shí)假設(shè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和熱濕傳遞模型的耦合是一個(gè)方式。數(shù)值模擬結(jié)果表明該傳熱傳質(zhì)模型可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)潮濕對(duì)象在不同溫度和空氣流速條件下，溫度和水分含量的分布情況。

圖1 熱濕傳遞模型［6］

采用有限差分法和有限元法模擬織物熱傳遞模型，朱方龍等［9］建立了火災(zāi)環(huán)境下的一維徑向傳熱模型，如圖2所示，假定人體為圓柱體，依據(jù)實(shí)際情況在模型的織物和皮膚之間設(shè)置微小空氣層，形成了“織物－空氣層－皮膚”物理模型，通過有限差分法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，織物表面的溫度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)吻合。該模型可用于個(gè)體防護(hù)裝備的熱設(shè)計(jì)，但未考慮含濕量對(duì)熱傳遞性能的影響。中山大學(xué)的羅笑南等［10－11］建立了一種二維織物熱濕傳遞的數(shù)值模型，通過對(duì)模型的分離、有限差分分析、定義邊界條件然后進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果預(yù)測(cè)的溫度和水汽分布與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，該模型未考慮輻射與對(duì)流影響，可模擬織物的瞬態(tài)熱濕傳遞。浙江理工大學(xué)的徐定華等［12－13］研究了低溫條件下雙層紡織材料的建模、數(shù)值模擬及算法，基于穩(wěn)態(tài)熱濕傳熱模型，通過有限元算法用于非線性常微分方程和一維最小化問題的直接搜索方法，構(gòu)建了正則化解的迭代算法。分析在不同環(huán)境條件下的數(shù)值模擬結(jié)果，得到了Hooke－Jevees的直接搜索方法，此方法可以有效地解決雙層紡織材料的類型設(shè)計(jì)反演問題，同時(shí)數(shù)值模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的有效性和逆問題提法的合理性。

圖2 “織物－空氣層－皮膚”系統(tǒng)圓筒形模型［9］

目前研究的織物傳熱模型大都是建立在二維直角坐標(biāo)系下，將織物單元簡(jiǎn)化為勻質(zhì)平板或圓柱體，這樣可以降低建模難度，但也喪失了織物真實(shí)的組織結(jié)構(gòu)，影響到數(shù)值模擬的精確度。加州大學(xué)的潘寧等［14］研究了纖維材料的相關(guān)參數(shù)對(duì)有效熱導(dǎo)率的影響，模擬結(jié)果表明織物的聚集結(jié)構(gòu)對(duì)纖維材料的熱傳遞性能有很大影響。朱方龍［15］初步研究了織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳遞的影響，針對(duì)火災(zāi)等高溫環(huán)境下采用有限差分法對(duì)熱防護(hù)織物的有效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。上述研究表明織物的幾何形態(tài)結(jié)構(gòu)很大程度上會(huì)影響到熱量在組織內(nèi)部的傳遞性能，所以建立織物三維組織結(jié)構(gòu)的熱傳遞模型是今后研究的重點(diǎn)?？椢锶S立體模型的建立是對(duì)織物進(jìn)行熱傳遞數(shù)值模擬的的基礎(chǔ)，因此模型愈趨向于織物真實(shí)組織結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性愈高。

4 皮膚傳熱模型

熱防護(hù)織物主要是用來降低熱量在織物上的傳遞速率，對(duì)熱防護(hù)織物或熱防護(hù)服的防護(hù)性能評(píng)價(jià)，需要同時(shí)考慮熱量在人體皮膚上的積聚和傳遞。皮膚傳熱模型的建立可以模擬熱量在人體皮膚上的傳遞，人體皮膚傳熱一般用Pennes′模型進(jìn)行模擬。其傳熱方程［16］為

式中：ρs為皮膚的密度，kg／m3；cps為皮膚的比熱容，J／（kg·℃）；ks為皮膚的導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m·℃）；ρb為血液的密度，kg／m3；cp，b為血液的比熱容，J／（kg·℃）；wb為血流灌注率，其值為0.001 25m3／（s·m3）。

宋國(guó)文［17］等研究了皮膚模型的變化對(duì)服裝熱防護(hù)性能的影響，研究表明，不同的皮膚模型和皮膚初始溫度的分布可以極大地影響熱量在假人服裝上的傳遞。因此，選擇一個(gè)精確的皮膚模型并將其標(biāo)準(zhǔn)化將有利于模型試驗(yàn)在熱防護(hù)中的效果評(píng)價(jià)。

5 總結(jié)與展望

建立織物熱傳遞的數(shù)學(xué)模型是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)，從國(guó)內(nèi)外對(duì)織物熱傳遞的數(shù)值模擬的研究狀況來看，織物傳熱模型一般建立在二維坐標(biāo)系中，不能真實(shí)反映出織物幾何組織結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果與實(shí)際織物熱傳遞過程有偏差。因此，織物熱傳遞的數(shù)值模擬應(yīng)向三維立體結(jié)構(gòu)模型發(fā)展，根據(jù)不同的織物特性和研究目的，建立精確的織物數(shù)學(xué)模型，采用合適的求解方法對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不斷提高和改進(jìn)織物的三維立體模型?？椢餆醾鬟f的數(shù)值模擬技術(shù)是一個(gè)有著廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)，其發(fā)展將對(duì)新型隔熱防護(hù)材料的設(shè)計(jì)、性能測(cè)試以及節(jié)約成本和資源，提高試驗(yàn)安全性等方面具有重要的實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。

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