服裝衣下空氣層熱傳遞性能研究進(jìn)展

姜茸凡 王云儀

摘要： 為探究衣下空氣層對(duì)于服裝系統(tǒng)熱傳遞性能的影響，文章介紹了衣下空氣層的熱傳遞機(jī)制，概括了三種衣下空氣層對(duì)于服裝隔熱性能影響的研究方法，即熱平板測(cè)試、假人測(cè)試和數(shù)值模擬，論述了各研究方法的優(yōu)點(diǎn)與不足。根據(jù)研究方法，從厚度、體積、位置、方向、非均勻形態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)六方面分析了衣下空氣層對(duì)服裝熱傳遞性能的影響?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀，針對(duì)研究方法和研究?jī)?nèi)容的不足提出兩點(diǎn)展望，即研究非均勻衣下空氣層對(duì)于服裝系統(tǒng)熱傳遞的影響，發(fā)展厚重服裝和多層服裝的衣下空氣層的測(cè)量方法。

關(guān)鍵詞： 衣下空氣層；熱傳遞性能；三維人體測(cè)量法；服裝；暖體假人

中圖分類號(hào)： TS941.17文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10017003（2018）07004108引用頁(yè)碼： 071107

Research progress of heat transfer performance of air layer entrapped in clothing

JIANG Rongfan1，2， WANG Yunyi1a，2

（1a. College of Apparel and Art Design； 1b.Key Laboratory of Clothing Design & Technology， Ministry of Education， Donghua University，

Shanghai 200051， China； 2. Apparel & Art Design College， Xian Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： To explore the effect of air layer entrapped in clothing on heat transfer performance， the heat transfer mechanism of air layer was introduced in the study. The three kinds of research methods， their respective advantages and disadvantages were reviewed， including hot plate testing， manikin testing and numerical modeling. The advantages and disadvantages of research methods were discussed. According to the research methods， the influence of thickness， volume， location， direction， geometrical form and motion state on the clothing heat transfer performance was analyzed. Based on current research status， the two outlooks were proposed for the deficiency of research methods and research methods， i.e. to study the effect of nonheterogeneous air layer entrapped in clothing on heat transfer performance， and to develop measurement methods of air layer of thick clothing and multilayer clothing.

Key words： air layer entrapped in clothing； heat transfer performance； 3D body measuring； clothing； the thermal manikin

收稿日期： 20171031； 修回日期： 20180508

作者簡(jiǎn)介： 姜茸凡（1987），男，博士研究生，研究方向?yàn)榉b舒適性與功能設(shè)計(jì)。通信作者，王云儀，教授，wangyunyi@dhu.edu.cn。對(duì)于單層服裝，衣下空氣層僅指人體皮膚表面與服裝內(nèi)表面之間的微小空氣層，而對(duì)于多層服裝系統(tǒng)，衣下空氣層還包括服裝層與層之間的空氣層[12]。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于纖維的導(dǎo)熱系數(shù)，所以，靜止的空氣具有良好的隔熱性能。在防護(hù)服裝的款式設(shè)計(jì)中，有效地增大衣下空氣層，既能提高防寒服裝的保溫性能，也能增強(qiáng)高溫防護(hù)服裝的熱防護(hù)性能。因此，衣下空氣層被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛地關(guān)注并進(jìn)行了深入研究。

本文以衣下空氣層為研究對(duì)象，介紹衣下空氣層的傳熱機(jī)制、熱傳遞性能的測(cè)試方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，分析影響熱傳遞性能的六個(gè)因素，并對(duì)研究趨勢(shì)提出兩點(diǎn)展望。

1衣下空氣層傳熱機(jī)制

全面地剖析衣下空氣層的傳熱機(jī)制，有助于建立準(zhǔn)確的服裝傳熱模型，理解各因素（厚度、體積等）對(duì)于衣下空氣層傳熱性能的影響。衣下空氣層的傳熱方式包括傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，空氣的流動(dòng)狀態(tài)決定著空氣層傳導(dǎo)或?qū)α鞯膫鳠岱绞?，空氣層的幾何形狀影響著輻射的換熱系數(shù)。

1.1傳導(dǎo)或?qū)α鱾鳠?/p>

空氣的流動(dòng)狀態(tài)分為靜止、層流和湍流，在不同流動(dòng)狀態(tài)下，衣下空氣層的傳熱方式不同。在傳熱學(xué)中，空氣的流動(dòng)狀態(tài)可根據(jù)瑞利數(shù)Ra進(jìn)行判定[3]，即

Ra=gβΔTδ3av（1）

式中：Ra為無(wú)量綱系數(shù)；δ為衣下空氣層厚度，m；g為重力加速度，m/s2；ΔT為空氣層邊界的溫度差，K；β為體積膨脹系數(shù)，即空氣的絕對(duì)溫度的倒數(shù)，K-1；α為空氣熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；v為空氣動(dòng)力黏度，m2/s。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)研究底部加熱的水平矩形腔體內(nèi)的空氣流動(dòng)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在矩形腔體的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于厚度時(shí)，若Ra≤1700，矩形腔體內(nèi)空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)；若17005×104，空氣處于湍流狀態(tài)。在織物系統(tǒng)隔熱性能測(cè)試中，熱平板與織物之間的空氣層類似于一個(gè)底部加熱的水平矩形腔體。所以，學(xué)者們[1，5]針對(duì)熱平板測(cè)試建立的“織物層空氣層”熱傳遞模型，一般多采用Ra=1700作為判定衣下空氣層是否存在自然對(duì)流的依據(jù)。若空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，可根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律建立衣下空氣層傳熱模型；若空氣處于層流或湍流狀態(tài)，可根據(jù)牛頓冷卻公式建立傳熱模型。

1.2輻射傳熱

空氣的主要成分是氮?dú)夂脱鯕?，兩種氣體都不發(fā)生輻射，在不考慮CO2和水蒸氣等極性分子時(shí)，可將空氣視為透明體，根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，發(fā)現(xiàn)影響其輻射熱傳遞性能的主要因素是服裝與皮膚兩表面之間的視角系數(shù)。對(duì)于熱平板測(cè)試建立的傳熱模型[6]，織物與熱平板之間處于平行狀態(tài)且表面積相等，其視角系數(shù)為1；對(duì)于熱圓筒測(cè)試建立的傳熱模型[6]，內(nèi)圓筒為皮膚層，外圓筒為織物層，其視角系數(shù)為內(nèi)圓半徑與外圓半徑之比；對(duì)于暖體假人[7]測(cè)試，由于受人體體表形態(tài)[8]、服裝款式[9]和面料力學(xué)性能[10]的影響，衣下空氣層分布是非均勻的，需要根據(jù)視角系數(shù)關(guān)系式定積分求取視角系數(shù)。

2衣下空氣層熱傳遞測(cè)試

為研究衣下空氣層對(duì)服裝系統(tǒng)熱傳遞性能的影響，學(xué)者們針對(duì)各影響因素進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)及模型研究，研究方法可概括為熱平板測(cè)試、假人測(cè)試和數(shù)值模擬。

2.1熱平板測(cè)試

熱平板測(cè)試用于研究織物系統(tǒng)（皮膚層空氣層織物層外界環(huán)境）的熱傳遞性能。測(cè)試裝置一般是對(duì)現(xiàn)有織物熱傳遞性能測(cè)試裝置（如出汗熱平板儀）的改進(jìn)，主要包括：可模擬皮膚溫度的熱平板、防止熱量從側(cè)面和底部散失的隔熱保溫板、可模擬不同厚度的衣下間隔板、溫度傳感器、熱流傳感器和人工氣候箱。為了防止面料由于自重而下垂影響衣下空氣層，還會(huì)在分隔板上利用強(qiáng)力尼龍紗線制成網(wǎng)格狀，以托起面料，保證衣下空氣層厚度的準(zhǔn)確，如圖1所示。

該方法可通過(guò)模擬不同厚度的衣下空氣層測(cè)試織物系統(tǒng)熱阻，定量地分析衣下空氣層厚度與織物系統(tǒng)熱阻之間的關(guān)系，并可建立衣下空氣層厚度和織物系統(tǒng)熱阻之間的線性回歸方程[11]。此外，還可對(duì)織物層與層之間增加不同厚度的分隔板，用以研究各層空氣層的大小及其空氣層處于織物系統(tǒng)的位置對(duì)于多層織物系統(tǒng)熱傳遞性能的影響[12]。但是，平板測(cè)試僅是在織物層面上進(jìn)行分析，衣下空氣層為封閉的矩形腔體，這與實(shí)際并不相符，因此，在織物層面上的研究并不能全面地反映衣下空氣層的隔熱性能，仍需考慮其他因素的影響。

2.2假人測(cè)試

假人測(cè)試用于研究服裝系統(tǒng)（皮膚層衣下空氣層服裝層外界環(huán)境）隔熱性能與衣下空氣層體積和厚度的關(guān)系。測(cè)試系統(tǒng)包括：三維人體測(cè)量系統(tǒng)和假人系統(tǒng)。

學(xué)者們[1315]利用三維人體測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量衣下空氣層的體積和厚度，其步驟是先對(duì)人體模特的裸體形態(tài)和著裝形態(tài)進(jìn)行三維掃描，獲取兩種形態(tài)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用逆向工程軟件對(duì)其進(jìn)行封裝、修復(fù)和填充孔以獲得兩種形態(tài)的三維曲面模型，最后將兩者進(jìn)行對(duì)齊、3D比較和2D比較，獲得衣下空氣層厚度和體積。假人系統(tǒng)可被應(yīng)用于測(cè)試服裝系統(tǒng)隔熱性能，如暖體假人、燃燒假人[16]等。為保證實(shí)驗(yàn)研究的有效性，一般要求三維掃描中的人體模特應(yīng)與測(cè)試服裝隔熱性能的假人體型相同或相似，以保證前后研究的是同一衣下空氣層。同時(shí)，由于服裝需要分別穿脫在人體模特和假人身上，前后兩次穿脫仍會(huì)使衣下空氣層形態(tài)產(chǎn)生差異。因此，Wang等[17]提出將三維人體測(cè)量系統(tǒng)與假人系統(tǒng)搭建在同一操作平臺(tái)下，以避免“二次穿脫”造成的測(cè)量誤差，提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性。

學(xué)者們[1820]已經(jīng)利用此方法研究了衣下空氣層體積或厚度和服裝的隔熱性能之間的關(guān)系，并建立了相關(guān)的線性回歸方程。由于假人測(cè)試是基于服裝層面上討論的，其研究結(jié)果更具有實(shí)際意義。但是，三維人體測(cè)量法獲取的衣下空氣層是服裝外表面到人體表面之間的空間形態(tài)，忽略了面料厚度對(duì)于衣下空氣層的干擾，因此，測(cè)量方法僅適用于面料較薄的單層服裝，不適用于面料較厚或多層面料組合的服裝。

為排除面料厚度的干擾，Chen等[21]利用KESF（Kawabata Evaluation System for Fabric）系統(tǒng)測(cè)量了加壓（50gf/cm2）狀態(tài)的面料厚度，并將其從衣下空氣層厚度中減去，以獲取更真實(shí)的衣下空氣層。但是，著裝狀態(tài)下，服裝各部位面料所受的壓強(qiáng)并不相同，厚度也不相同。因此，此方法不能較好地反映厚重服裝的衣下空氣層的真實(shí)分布。為測(cè)量多層面料組合服裝的衣下空氣層和服裝層與層之間的空氣層，Mcquerry等[22]將三層消防服（從外到內(nèi)依次是最外層、防水透氣層和隔熱層）拆分為三件單層服裝，再逐一測(cè)量單層服裝的衣下空氣層。但是，受面料性能和重力的影響，三件單層服裝獲取的衣下空氣層與三層消防服的衣下空氣層差異性很大。例如，測(cè)試中防水透氣層的衣下空氣層厚度為37.2mm，而隔熱層為39.7mm，外層服裝的衣下空氣層厚度反比內(nèi)層小，測(cè)量存在誤差。所以，測(cè)量面料較厚或多層面料組合的服裝的衣下空氣層仍是該領(lǐng)域的難點(diǎn)，關(guān)于假人測(cè)試的研究多集中于單層輕薄服裝層面進(jìn)行討論。

2.3數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)仿真建模技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模型已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。學(xué)者們通過(guò)搭建數(shù)值熱傳遞模型研究多種因素（厚度、體積等）對(duì)于衣下空氣層隔熱性能的影響。研究步驟是利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)構(gòu)建“皮膚層衣下空氣層織物層/服裝層外界環(huán)境”的熱傳遞模型，再通過(guò)數(shù)值計(jì)算求解傳熱模型，并基于實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證模型的可靠性，最后，利用構(gòu)建的熱傳遞模型分析各因素對(duì)于衣下空氣層隔熱性能的影響。

平板測(cè)試和假人測(cè)試僅能定性或定量地研究各因素對(duì)于衣下空氣層隔熱性能的影響，而數(shù)值模擬則在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步詮釋衣下空氣層的熱傳遞機(jī)制。因此，學(xué)者們對(duì)于衣下空氣層建立了大量數(shù)值熱傳遞模型（表1）。從表1可以看出，熱傳遞模型已經(jīng)從一維向三維、單層空氣層向多層空氣層、單一傳熱方式向多種傳熱方式的方向發(fā)展。

出處空氣層方向求解方法模型特點(diǎn)文獻(xiàn)[23]水平有限元法單層織物，一維輻射和傳導(dǎo)傳熱模型文獻(xiàn)[24]垂直有限差分法單層織物，圓筒形，一維輻射和傳導(dǎo)或?qū)α鱾鳠崮Ｐ臀墨I(xiàn)[25]水平有限體積法多層織物，一維輻射和傳導(dǎo)傳熱模型，未考慮對(duì)流傳熱和空氣通過(guò)面料空隙向外擴(kuò)散傳熱文獻(xiàn)[26]水平有限差分法單層織物，一維對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射傳熱模型，考慮面料透氣性文獻(xiàn)[27]水平有限差分法單層織物，二維對(duì)流和輻射獨(dú)立計(jì)算的傳熱模型文獻(xiàn)[28]水平有限體積法單層織物，二維對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射交互耦合的傳熱模型文獻(xiàn)[29]水平有限元法單層織物，二維對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射交互耦合的傳熱模型，考慮空氣浮升力文獻(xiàn)[30]水平和垂直有限體積法單層織物，三維對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射交互耦合的傳熱模型，考慮動(dòng)態(tài)空氣層和空氣浮升力3熱傳遞性能影響因素

通過(guò)以上闡述的三種測(cè)試方法，學(xué)者們主要從厚度、體積、位置、方向、非均勻形態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)六個(gè)方面分析了衣下空氣層的熱傳遞性能，為防寒服裝和熱防護(hù)服裝的款式設(shè)計(jì)提供全面的理論指導(dǎo)。

3.1厚度與體積

衣下空氣層厚度是影響空氣流動(dòng)形式的主要因素。當(dāng)空氣層厚度從零逐漸增大時(shí)，由于空氣浮力克服不了黏性阻力處于靜止?fàn)顟B(tài)，傳熱方式為傳導(dǎo)和輻射。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，厚度增大，隔熱性能增大。當(dāng)厚度超過(guò)某一定值時(shí)，空氣浮力克服黏性阻力，空氣轉(zhuǎn)為層流狀態(tài)，傳熱方式為對(duì)流和輻射，對(duì)流會(huì)增大傳熱速率，所以厚度增大，隔熱性能不再增大，甚至減小。因此，在厚度增大過(guò)程中，隔熱性能將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值，即最佳空氣層[31]。準(zhǔn)確地測(cè)定最佳空氣層閾值，對(duì)設(shè)計(jì)功能性或防護(hù)性服裝具有重要意義。

文獻(xiàn)[11， 23， 3235]基于熱平板測(cè)試法測(cè)定了常溫環(huán)境和火場(chǎng)環(huán)境的最佳空氣層，如表2所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，火場(chǎng)環(huán)境的最佳空氣層一般比常溫環(huán)境的小，原因是火場(chǎng)環(huán)境的氣溫較高，即皮膚與服裝之間的溫差較大，根據(jù)式（1），若ΔT較大，而Ra固定不變，則發(fā)生自然對(duì)流的衣下空氣層厚度將較小，因此，火場(chǎng)環(huán)境的最佳空氣層較小。

12（RH為65%和95%）文獻(xiàn)[34]輻射熱源，熱源強(qiáng)度為8.4kW/m2垂直6～9文獻(xiàn)[35]輻射熱源，熱源強(qiáng)度為5kW/m2垂直7此外，學(xué)者們還基于火場(chǎng)環(huán)境下研究了水分對(duì)于消防服最佳空氣層閾值的影響。Lu等[32]測(cè)試了4種含水率（5%、35%、65%和100%）面料的最佳空氣層，Li等[33]利用超聲波霧化器對(duì)衣下空氣層進(jìn)行加濕，測(cè)試了3種相對(duì)濕度（35%、65%和95%）下的最佳空氣層。對(duì)比Torvi等[23]在干態(tài)閃火條件下測(cè)得的最佳空氣層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增大面料的含水率或增大衣下微環(huán)境的相對(duì)濕度，都會(huì)使最佳空氣層閾值增大。

衣下空氣層體積可通過(guò)抽真空法[36]或三維人體掃描法獲得。文獻(xiàn)[1820]通過(guò)假人測(cè)試法研究了衣下空氣層體積對(duì)于服裝熱阻的影響。研究發(fā)現(xiàn)，體積與厚度對(duì)于衣下空氣層熱傳遞性能的影響相似。段杏元等[20]針對(duì)普通內(nèi)衣和發(fā)熱內(nèi)衣建立體積與服裝熱阻的線性回歸方程，如下式所示。

普通內(nèi)衣：y=0.1313-6×10-10x2+8×10-6x（2）

發(fā)熱內(nèi)衣：y=0.1437-9×10-10x2+2×10-6x（3）

式中：y為內(nèi)衣的總體熱阻，℃·m2/W；x為內(nèi)衣與假人之間的空氣層體積，cm3。

3.2位置

對(duì)于多層面料組合的服裝而言，衣下空氣層不僅存在于皮膚與服裝之間，還存在于服裝層與層之間。學(xué)者們[12， 3739]主要針對(duì)多層消防服裝研究了空氣層的位置對(duì)于服裝熱防護(hù)性能的影響。

Huang等[37]構(gòu)建了4層消防織物系統(tǒng)的傳熱模型，織物系統(tǒng)從外到內(nèi)依次是最外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層，其中隔熱層和舒適層相連接，不存在空氣層，其余位置均存在空氣層。研究對(duì)比了空氣層位于最外層與防水透氣層之間和位于隔熱層與皮膚之間的隔熱性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空氣層位于最外層與防水層時(shí)，織物的隔熱性能更好，即空氣層位于靠近織物最外層的位置，隔熱性能更好。而Wang等[38]和Fu等[39]分別利用TPP（Thermal Protective Performance）裝置和能模擬皮膚出汗的RPP（Radiant Protective Performance）裝置研究了多層消防織物空氣層的位置對(duì)于服裝隔熱性能的影響。但Wang和Fu的測(cè)試結(jié)果與Huang的研究結(jié)果相悖，他們發(fā)現(xiàn)空氣層位于舒適層與皮膚層之間或位于隔熱層和防水透氣層之間的隔熱性能更好，即空氣層位于靠近皮膚位置，隔熱性能更好。分析原因，這可能是由于空氣層方向（Huang（垂直方向）、Wang和Fu（水平方向））和熱源強(qiáng)度（Huang（5kW/m2）、Wang（84kW/m2）、Fu（2～10kW/m2））的不同導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的差異。

3.3方向

織物熱平板裝置可研究水平方向衣下空氣層的熱傳遞性能。然而，人在站立或行走時(shí)，衣下空氣層為垂直方向。文獻(xiàn)[5， 30， 40]研究了垂直方向衣下空氣層的熱傳遞性能。

在常溫環(huán)境下，Smith[40]利用改進(jìn)的熱平板裝置測(cè)試了垂直方向的衣下空氣層（厚度為5～30mm）發(fā)生自然對(duì)流的閾值為8mm，小于文獻(xiàn)[1112]在水平方向的測(cè)試結(jié)果。Yoshio等[5]和Udayraj等[30]分別利用數(shù)值模型研究了水平方向和垂直方向的衣下空氣層熱傳遞性能，模擬結(jié)果也顯示垂直方向的傳熱速率更大，更容易達(dá)到皮膚二級(jí)燒傷。

綜上，垂直方向的衣下空氣層更容易發(fā)生自然對(duì)流，對(duì)流傳熱加速了空氣層的傳熱速率，故垂直方向衣下空氣層傳熱性能更好。此外，由于不同的作業(yè)環(huán)境，衣下空氣層還存在多種傾斜角度，后期應(yīng)開(kāi)發(fā)能測(cè)試多種傾斜角度的衣下空氣層熱傳遞性能裝置，測(cè)定各傾斜角度的最佳空氣層，為設(shè)計(jì)防護(hù)性服裝提供理論參考。

3.4非均勻形態(tài)

上述研究均假定衣下空氣層是分布均勻的，面料與皮膚之間保持平行，而實(shí)際的衣下空氣層是非均勻的。文獻(xiàn)[4143]基于熱平板測(cè)試和假人測(cè)試研究了非均勻衣下空氣層的熱傳遞性能。

Sun等[41]利用男性暖體假人和女性暖體假人測(cè)試5款服裝熱阻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，女性暖體假人的服裝熱阻更大。研究認(rèn)為這是由于女性假人體型較小，同一服裝下，女性假人的衣下空氣層體積更大，且女性假人體表形態(tài)更復(fù)雜，非均勻的衣下空氣層形態(tài)可以滯留更多的靜止空氣，增大了服裝熱阻。同樣，Tannie等[42]對(duì)比了男款和女款熱防護(hù)服裝的衣下空氣分布和熱防護(hù)性能，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)女款熱防護(hù)服裝的二級(jí)燒傷面積更大，熱防護(hù)性能更差。研究認(rèn)為這是由于復(fù)雜的女性體表形態(tài)導(dǎo)致人體與服裝之間存在較大的接觸面積和局部較大的空氣層厚度，皮膚與服裝的直接接觸加速了外界熱量的傳遞，導(dǎo)致皮膚更易燒傷，而局部較大的空氣層厚度，會(huì)使空氣層內(nèi)產(chǎn)生自然對(duì)流，增大傳熱速率，因此，女款防護(hù)裝的防護(hù)性能更差。

為更細(xì)致地探索非均勻形態(tài)對(duì)衣下空氣層傳熱性能的影響，Emel等[43]搭建了垂直方向非均勻衣下空氣層形態(tài)的加熱圓筒軀干裝置，分析折疊尺寸、折疊數(shù)量和服裝與皮膚之間的接觸面積對(duì)于服裝熱阻的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，厚度為50mm的均勻衣下空氣層，織物表面上端與表面下端之間的溫差較大，為1.77℃，而對(duì)于非均勻形態(tài)，織物上端和下端之間的溫差較小，為0.62℃，說(shuō)明非均勻形態(tài)束縛了空氣的浮升力，衣下空氣層內(nèi)未發(fā)生自然對(duì)流。

盡管非均勻空氣層阻礙了衣下空氣發(fā)生對(duì)流，但是，Emel等卻發(fā)現(xiàn)非均勻衣下空氣層的服裝熱阻值更低，這主要是由于非均勻空氣層中存在著服裝與皮膚之間的直接接觸。皮膚與服裝的直接接觸增大了人體向外界的導(dǎo)熱速率，因此，非均勻衣下空氣層的服裝熱阻反而會(huì)更低。同時(shí)，由于Emel等對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)未進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，例如，在研究接觸面積對(duì)于衣下空氣層隔熱性能的影響時(shí)，接觸面積大的非均勻衣下空氣層，其平均衣下空氣層厚度會(huì)小于接觸面積小的非均勻衣下空氣層。所以，非均勻衣下空氣層隔熱性能的減小，可能是由于接觸面積增大引起的，也可能是由于平均衣下空氣層厚度減小引起的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)法對(duì)單一變量進(jìn)行量化分析。因此，在未來(lái)研究中應(yīng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，在同等參數(shù)條件下分析非均勻形態(tài)對(duì)于衣下空氣層熱傳遞性能的影響。

3.5運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

人體運(yùn)動(dòng)會(huì)使衣下空氣層產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，從而降低服裝熱阻。因此，研究不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下衣下空氣層的形態(tài)變化及其隔熱性能十分重要。衣下空氣層動(dòng)態(tài)變化的測(cè)量方法，是先將連續(xù)變化的運(yùn)動(dòng)分解為若干人體姿勢(shì)，再通過(guò)三維掃描儀逐一測(cè)量各姿勢(shì)的衣下空氣層，最后匯總獲得一個(gè)衣下空氣層形態(tài)連續(xù)變化的圖譜，即動(dòng)態(tài)空氣層[4445]。

文獻(xiàn)[4647]通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)，為熱平板安裝一個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，使之做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保持織物面固定不動(dòng)，將動(dòng)態(tài)空氣層簡(jiǎn)化為衣下空氣層厚度做周期性正弦變化，如下式所示。

y=y0+Δysin（2πFT）（4）

式中：y為隨時(shí)間變化的衣下空氣層厚度，mm；y0為平均衣下空氣層厚度，mm；Δy為空氣層厚度的振幅，mm；f為振動(dòng)的頻率，r/s。

Ghali等[46]研究了常溫環(huán)境下，動(dòng)態(tài)空氣層對(duì)于皮膚散熱功率的影響，其中空氣層厚度為38.1mm，振幅為6.35mm，轉(zhuǎn)速為25r/min。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱平板的散熱功率受動(dòng)態(tài)空氣層的影響呈現(xiàn)正弦式上下波動(dòng)。Xin等[47]研究了火場(chǎng)環(huán)境下，動(dòng)態(tài)空氣層對(duì)于皮膚升曲線的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種振動(dòng)頻率的傳感器表面升溫曲線差異較小，且升溫曲線未呈現(xiàn)明顯的正弦波動(dòng)。對(duì)比Ghali和Xin的測(cè)試結(jié)果，差異原因在于Ghali在常溫條件下測(cè)試，動(dòng)態(tài)空氣層以對(duì)流傳熱為主，故皮膚散熱量呈正弦波動(dòng)；而Xin的實(shí)驗(yàn)將織物暴露于火焰下，織物背面的空氣層以輻射傳熱為主，對(duì)流傳熱影響較小，故傳感器表面溫度波動(dòng)不明顯。

Ghazy等[48]構(gòu)建了一維“織物層空氣層”熱傳遞模型，研究動(dòng)態(tài)空氣層的振幅和頻率對(duì)于衣下空氣層熱傳遞性能的影響，但模型僅考慮傳導(dǎo)和輻射兩種傳熱方式，忽略了對(duì)流傳熱。因此，模型僅在衣下空氣層厚度較小的范圍內(nèi)取得良好的模擬結(jié)果。Udayraj等[30]基于流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）構(gòu)建了對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射相耦合的三維“織物層空氣層”傳熱模型，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬空氣層的動(dòng)態(tài)變化，其模擬結(jié)果與Xin的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間保持良好的一致性。模型顯示，在閃火條件下輻射傳熱起主要作用，占總傳熱量的80%以上，傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱起次要作用，動(dòng)態(tài)空氣層能增強(qiáng)衣下空氣層的對(duì)流傳熱。

在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，衣下空氣層的動(dòng)態(tài)變化是更復(fù)雜的。Ghaddar等[49]構(gòu)建“手臂衣袖”的動(dòng)態(tài)熱傳遞模型。模型將手臂擺動(dòng)過(guò)程中的衣下空氣層形態(tài)分為兩個(gè)階段：第一階段，衣袖靜止，手臂在衣袖內(nèi)擺動(dòng)，衣下空氣層形態(tài)隨時(shí)間發(fā)生形變；第二階段，衣袖與手臂共同擺動(dòng)，衣下空氣層形態(tài)保持不變。該研究更細(xì)致地描述了衣下空氣層的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，模擬結(jié)果更具有實(shí)際意義。

針對(duì)以上六個(gè)因素的分析，在設(shè)計(jì)防護(hù)服裝款式結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)以作業(yè)人員的工作環(huán)境（寒冷環(huán)境、高溫環(huán)境、火場(chǎng)環(huán)境等）和工作狀態(tài)（靜立、靜坐、行走等）為出發(fā)點(diǎn)，分析空氣層上表面（服裝內(nèi)表面）與下表面（皮膚表面）之間的溫差、空氣層的傾斜角度、形狀，以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判定空氣層內(nèi)發(fā)生自然對(duì)流的臨界閾值，從而優(yōu)化防護(hù)服裝的放松量設(shè)計(jì)，提高服裝的冷/熱防護(hù)性能。

4研究展望

衣下空氣層是影響服裝隔熱性能的重要組成因素。本文概括了三種用于探究衣下空氣層對(duì)于服裝系統(tǒng)熱傳遞性能影響的研究方法，并闡述了各研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)以上研究方法，逐一分析了六方面因素對(duì)于服裝熱傳遞性能的影響?；谀壳把芯楷F(xiàn)狀，本文對(duì)現(xiàn)有測(cè)試方法及研究?jī)?nèi)容的不足提出以下展望：

1）研究非均勻衣下空氣層對(duì)于服裝系統(tǒng)熱傳遞的影響?，F(xiàn)階段，對(duì)于衣下空氣層的研究，無(wú)論熱平板實(shí)驗(yàn)，還是數(shù)值傳熱模型，空氣層多為均勻形態(tài)，而實(shí)際衣下空氣層是非均勻的。若將均勻形態(tài)的空氣層厚度對(duì)于服裝隔熱性能影響的研究結(jié)果，直接應(yīng)用于預(yù)測(cè)真實(shí)著裝狀態(tài)下服裝系統(tǒng)的隔熱性能，則會(huì)造成預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差。因此，在未來(lái)應(yīng)基于同一空氣層平均厚度的條件下，逐一分析波折頻率、波折幅度、接觸面積比率等幾何特征因素對(duì)于服裝熱傳遞性能的影響，并建立非均勻空氣層的織物或服裝系統(tǒng)的熱傳遞模型，更加全面地解釋非均勻空氣層的傳熱機(jī)制，為準(zhǔn)確表征或預(yù)測(cè)服裝隔熱性能提供保障。

2）發(fā)展厚重服裝和多層服裝的衣下空氣層的測(cè)量方法。由于三維人體測(cè)量法忽略了服裝面料厚度對(duì)于衣下空氣層的影響，所以，厚重服裝的衣下空氣層形態(tài)尚無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量，也無(wú)法分析厚重服裝的衣下空氣層分布情況及對(duì)于服裝隔熱性能的影響。在未來(lái)，可考慮利用壓力假人系統(tǒng)和三維人體測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合的方法，通過(guò)測(cè)量人體各部位的壓強(qiáng)來(lái)判斷此部位的面料厚度，并利用逆向工程軟件將面料厚度從空氣層中減去，以獲取厚重服裝的衣下空氣層分布，并研究其對(duì)服裝隔熱性能的影響。此外，在多層服裝系統(tǒng)中，眾多研究顯示服裝層與層之間的空氣層也是影響服裝隔熱性能的主要因素。目前，此類空氣層的研究?jī)H通過(guò)熱平板實(shí)驗(yàn)和模型模擬間接分析此類空氣層的隔熱性能，若能發(fā)展一種測(cè)試方法測(cè)量真實(shí)著裝狀態(tài)下服裝層與層之間的空氣層，將會(huì)完善服裝衣下空氣層熱傳遞性能的研究體系，對(duì)于冷/熱防護(hù)性多層服裝系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張昭華， 王云儀， 李俊. 衣下空氣層厚度對(duì)著裝人體熱傳遞的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2010， 31（12）： 103107.

ZHANG Zhaohua， WANG Yunyi， LI Jun. Effect of thickness of air layer under clothing on heat transmission of wearer [J]. Journal of Textile Research， 2010， 31（12）： 103107.

[2]賴軍， 張夢(mèng)瑩， 張華， 等. 消防服衣下空氣層的作用與測(cè)定方法研究進(jìn)展[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2017， 38（6）： 151156.

LAI Jun， ZHANG Mengying， ZHUANG Hua， et al. Research progress on air gap entrapped in firefighter protective clothing and its measurement methods [J]. Journal of Textile Research， 2017， 38（6）： 151156.

[3]HOLLANDS K， RAITHBY G D， KONICEK L. Correlation equations for free convection heat transfer in horizontal layers of air and water [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 1975， 18（7）： 879884.

[4]MALKUS W V R. Discrete transitions in turbulent convection [J]. Proceeding of the Royal Society of London， 1954， 255 （1161）： 185195.

[5]YOSHIO Morozumi， KENICHI Akaki， NAOMASA Tanabe. 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 Mass Transfer， 2012（48）： 12351245.

[6]葛新石， 葉宏. 傳熱和傳質(zhì)基本原理[M]. 6版. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2007： 507509.

GE Xinshi， YE Hong. Fundamentals of Heat and Mass Transfer [M]. 6th Edi. Beijing： Chemical Industry Press， 2007： 507509.

[7]INGVAR Holmer. Thermal manikin history and applications [J]. European Journal of Applied Physiology， 2004， 92： 614618.

[8]EMEL Mert， AGNES Psikuta1， BUENO MarieAnge. The effect of body postures on the distribution of air gap thickness and contact area [J]. International Journal of Biometeorology， 2017（61）： 363375.

[9]史雯， 王發(fā)明. 我國(guó)少數(shù)民族服男裝整體和局部衣下空氣層分布[J]. 服裝學(xué)報(bào)， 2016， 1（2）： 161169.

SHI Wen， WANG Faming. Study on the total and local clothing air gap of traditional Chinese male ethnic costumes [J]. Journal of Clothing Research， 2016， 1（2）：161169.

[10]JOANNA FrackiewiczKaczmarek， AGNES Psikuta， BUENO MarieAnge. Effect of garment properties on air gap thickness and the contact area distribution [J]. Textile Research Journal， 2015， 85（18）： 19071918.

[11]張昭華， 翟世瑾， 尹思源.衣下間隙對(duì)織物系統(tǒng)熱濕阻的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2016， 37（6）：101106.

ZHANG Zhaohua， ZHAI Shijin， YI Siyuan. Influence of air gaps on thermal and evaporative resistances of fabric system [J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（6）：101106.

[12]HE Huang， YU Zhaicai. Effect of air gap entrapped in firefighter protective clothing on thermal resistance and evaporative resistance [J]. Autex Research Journal， 2017（6）： 17.

[13]KIM Young， LEE Calvin， LI Peng， et al. Investigation of air gaps entrapped in protective clothing systems [J]. Fire and Materials， 2002（26）： 121126.

[14]LU Yehu， SONG Guowen. A novel approach for fit analysis of thermal protective clothing using threedimensional body scanning [J]. Applied Ergonomics， 2014， 45： 14391446.

[15]王云儀， 張雪， 李小輝， 等.基于Geomagic軟件的燃燒假人衣下空氣層特征提取[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2012， 33（11）： 102106.

WANG Yunyi， ZHANG Xue， LI Xiaohui. et al. Geomagicbased characteristic extraction of air gap under clothing [J]. Journal of Textile Research， 2012， 33（11）： 102106.

[16]王敏， 李俊， 李小輝. 燃燒假人在火場(chǎng)熱防護(hù)服裝研究中的應(yīng)用[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2013， 34（3）： 154160.

WANG Min， LI Jun， LI Xiaohui. Application of flame manikin in thermal protective clothing research [J]. Journal of Textile Research， 2013， 34（3）： 154160.

[17]WANG Min， LI Xiaohui， LI Jun. A new approach to quantify the thermal shrinkage of fire protective clothing after flash fire exposure [J]. Textile Research Journal， 2016， 86（6）： 580592.

[18]LEE Yejin， HONG Kyunghi， HONG SungAe. 3D quantification of microclimate volume in layered clothing for the prediction of clothing insulation [J]. Applied Ergonomics， 2007（38）： 349355.

[19]LI Jun， ZHANG Zhaohua， WANG Yunyi. The relationship between air gap sizes and clothing heat transfer performance [J]. The Journal of the Textile Institute， 2013， 104（12）： 13271336.

[20]段杏元， 胡源盛. 男士針織內(nèi)衣熱性能的測(cè)量與分析[J]. 紡織學(xué)報(bào)， 2016， 37（12）： 9296.

DUAN Xingyuan， HU Yuansheng. Measurement and analysis on thermal properties of mens knitted underwears [J]. Journal of Textile Research， 2016， 37（12）： 9296.

[21]CHEN Y S， FAN J， QIAN X. Effect of garment fit on thermal insulation and evaporative resistance [J]. Textile Research Journal， 2004， 74（8）：742748.

[22]MCQUERRY Meredith Laine. Clothing Modifications for Heat Strain Reduction in Structural Firefighter Protective Clothing Systems [D]. Raleigh： North Carolina State University， 2016.

[23]TORVI D A， DALE J D. Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux [J]. Fire Technology， 1999， 35（3）： 210231.

[24]ZHU Fanglong， MA Suqin， ZHANG Weiyuan. Study of skin model and geometry effects on thermal performance of thermal protective fabrics [J]. Heat Mass Transfer， 2008（45）： 99105.

[25]GHAZY A， BERGSTROM D J. Influence of the air gap between protective clothing and skin on clothing performance during flash fire exposure [J]. Heat and Mass Transfer， 2011， 47（10）： 12751288.

[26]KAMEL Ghali， NESREEN Ghaddar， BYRON Jones. Modeling of heat and moisture transport by periodic ventilation of thin cotton fibrous media [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2002， 45（18）：37033714.

[27]SAWCYN C M J， TORVI D A. Improving heat transfer models of air gaps in bench top tests of thermal protective fabrics [J]. Textile Research Journal， 2009， 79（7）： 632644.

[28]TALUKDAR P， TORVI D A， SIMONSON C J， et al. Coupled CFD and radiation simulation of air gaps in bench top protective fabric tests [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2010， 53（1）： 526539.

[29]MAYOR T S ， COUTO S ， PSIKUTA1 A ， ROSSI R M， et al. Advanced modelling of the transport phenomena across horizontal clothing microclimates with natural convection [J]. International Journal of Biometeorology， 2015（59）： 18751889.

[30]UDAYRAJ， PRABAL Talukdar， APURBA Das， et al. Numerical modeling of heat transfer and fluid motion in air gap between clothing and human body： effect of air gap orientation and body movement [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2017（108）： 271291.

[31]張渭源. 服裝舒適性與功能[M]. 北京： 中國(guó)紡織出版社， 2005： 5859.

ZHANG Weiyuan. Clothing Comfort and Function [M]. Beijing： China Textile &Apparel Press， 2005： 5859.

[32]LU Yehu， LI Jun， LI Xiaohui， et al. The effect of air gaps in moistprotective clothing on protection from heat and flame [J]. Journal of Fire Sciences， 2013， 31（2）： 99111.

[33]LI Jun， LU Yehu， LI Xiaohui. Effect of relative humidity coupled with air gap on heat transfer of flameresistant fabrics exposed to flash fires [J]. Textile Research Journal， 2012（82）：12351243.

[34]張歡. 阻燃織物熱濕舒適性及熱防護(hù)性能研究[D]. 上海： 東華大學(xué)， 2016.

ZHANG Huan. The Study of Thermal Comfort and Thermal Protective Performance of Flame Retardant Fabrics [D]. Shanghai： Donghua University， 2016.

[35]HE Song， HUANG Dongmei， QI Zhengkun， et al. The effect of air gap thickness on heat transfer in firefighters protective clothing under conditions of short exposure to heat [J]. Heat Transfer Research， 2012， 43（8）：749765.

[36]CROCKFORD G W， ROSENBLUM H A. The measurement of clothing microclimate volumes [J]. Clothing Research Journal， 1974， 2（3）： 109114.

[37]黃冬梅， 何松. 空氣層位置對(duì)消防戰(zhàn)斗服隔熱性能的影響[J]. 紡織學(xué)報(bào). 2015， 36（10）： 113119.

HUANG Dongmei， HE Song. Influence of air gap position on heat insulation performance of firefighters protective clothing [J]. Journal of Textile Research， 2015， 36（10）： 113119.

[38]WANG Yunyi， LU Yehu， LI Jun. et al. Effects of air gap entrapped in multilayer fabrics and moisture on thermal protective performance [J]. Fibers and Polymers， 2012， 13（5）： 647652.

[39]FU Ming， WENG Wenguo， YUAN Hongyong. Effects of multiple air gaps on the thermal performance of firefighter protective clothing under lowlevel heat exposure [J]. Textile Research Journal， 2014， 84（9）： 968978.

[40]JL SpencerSmith. The physical basis of clothing comfort， part 2： heat transfer through dry clothing assemblies [J]. Clothing Research Journal， 1977， 5： 317.

[41]SUN Chao， FAN Jintu. Comparison of clothing thermal comfort properties measured on female and male sweating manikins [J]. Textile Research Journal， 2016， 87（18）：110.

[42]TANNIE Mah， SONG Guowen. Investigation of the contribution of garment design to thermal protection， part 2： instrumented female mannequin flashfire evaluation system [J]. Textile Research Journal， 2010， 80（14）： 14731487.

[43]EMEL Mert， AGNES Psikuta， BUENO. et al. Effect of heterogenous and homogenous air gaps on dry heat loss through the garment [J]. International Journal of Biometeorology， 2015 （59）： 17011710.

[44]CHOI Jiyoung， KIM Heejin， KANG Bora， et al. Analysis of clothing air gap in a protective suit according to the body postures [J]. Journal of Fiber Bioengineering & Informatics， 2014， 7（4）： 573581.

[45]LI Xiaohui， WANG Yunyi， LU Yehu. Effects of body postures on clothing air gap in protective clothing [J]. Journal of Fiber Bioengineering & Informatics， 2011， 4（3）：277283.

[46]KAMEL Ghali， NESREEN Ghaddar， BYRON Jones. Modeling of heat and moisture transport by periodic ventilation of thin cotton fibrous media [J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2002（45）： 37033714.

[47]XIN Lisha， LI Xiaohui， LI Jun. A new approach to evaluate the effect of body motion on heat transfer of thermal protective clothing during flash fire exposure [J]. Fibers and Polymers， 2014， 15（10）： 22252231.

[48]GHAZY Ahmed， DONALD J Bergstrom. Numerical simulation of the influence of fabrics motion on protective clothing performance during flash fire exposure [J]. Heat Mass Transfer， 2013（49）： 775788.

[49]GHADDAR N， GHALI K， JREIJE B. Ventilation of windpermeable clothed cylinder subject to periodic swinging motion modeling and experimentation [J]. Journal of Heat Transfer， 2008， 130： 111.