熱防護(hù)織物熱濕傳遞數(shù)值模擬研究進(jìn)展

胡貝貝 李小輝

（東華大學(xué)，上海，200051）

火場環(huán)境中，為減少外界熱危害，消防人員需要穿著熱防護(hù)服，其熱防護(hù)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到作業(yè)人員的安危。為了科學(xué)合理地評價(jià)織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，通常采用熱暴露試驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模兩種方法。前者真實(shí)、客觀，但同時(shí)具有破壞性，試驗(yàn)成本較高，且受到環(huán)境及人為因素的影響較大；后者具有節(jié)約研究成本、速度較快等優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬（計(jì)算機(jī)模擬）逐漸成為了熱防護(hù)織物熱防護(hù)性能研究的重要方法。但由于數(shù)學(xué)模型涉及的影響因素較多，數(shù)值模擬的精確度及其應(yīng)用等方面還需完善。本文以熱防護(hù)織物系統(tǒng)為對象，通過對熱防護(hù)織物模型、傳熱傳質(zhì)耦合因素以及數(shù)值模擬方法等方面進(jìn)行剖析，旨在促進(jìn)熱防護(hù)織物數(shù)值模擬的提高，同時(shí)還從熱防護(hù)織物微觀建模、耦合多因素及注重應(yīng)用需求等方面指出熱防護(hù)織物仿真發(fā)展方向，為熱防護(hù)織物與服裝的性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及新材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 熱防護(hù)織物模型

織物模型作為傳熱分析的載體，其結(jié)構(gòu)對熱防護(hù)織物傳熱傳質(zhì)模擬具有重要意義。熱防護(hù)織物模型從簡單發(fā)展到復(fù)雜，從單層織物模型發(fā)展到多層，從多層發(fā)展到考慮織物層間空氣的織物及空氣層模型，以及到考慮織物組織結(jié)構(gòu)的三維模型仿真，如圖1 所示。

圖1 熱防護(hù)織物模型的發(fā)展

早期研究中，TORVI 建立了熱暴露條件下單層熱防護(hù)織物的傳熱模型，假設(shè)織物為質(zhì)地均勻的平板，研究熱暴露過程中沿織物厚度方向的溫 度 變 化［1-2］。朱 方 龍［3］、GHAZY［4］在 其 研 究 中同樣采用單層熱防護(hù)織物模型。隨后，朱方龍等將織物的平壁模型發(fā)展到考慮人體結(jié)構(gòu)的圓柱模型，將人體軀干近似為圓柱體，建立了圓柱坐標(biāo)系下單層織物的一維徑向傳熱模型［5］。接著，MELL 和LAWSON 將織物模型從單層拓展到多層，建立三層典型熱防護(hù)織物模型［6］，SU［7-9］、ONOFREI［10］、 CHITRPHIROMSRI［11］以 及SONG［12］等同樣采用多層熱防護(hù)織物模型以研究多層熱防護(hù)織物系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)。之后GHAZY 等進(jìn)一步對織物模型進(jìn)行細(xì)化，考慮織物層間空氣，建立多層織物系統(tǒng)的織物及空氣層模型［13］。PUSZKARZ［14］和劉國熠［15］考慮到熱防護(hù)織物的微觀結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建與紗線屈曲形態(tài)、截面形狀及交織狀態(tài)擬合的三維織物模型，以真實(shí)地反應(yīng)織物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，進(jìn)一步提高了織物傳熱分析的準(zhǔn)確性。

2 傳熱傳質(zhì)耦合因素

熱防護(hù)織物的傳熱傳質(zhì)仿真需要綜合考慮材料熱屬性、熱源條件、傳熱方式、水分及傳熱過程等諸多因素，基于織物系統(tǒng)的熱濕傳遞機(jī)制，建立不同熱環(huán)境下的數(shù)學(xué)模型以反應(yīng)織物的動(dòng)態(tài)傳熱傳質(zhì)過程。目前，熱防護(hù)織物傳熱傳質(zhì)主要是從熱暴露階段瞬態(tài)傳熱、熱濕耦合傳遞以及熱暴露結(jié)束后的織物冷卻傳熱等方面展開研究。

2.1 瞬態(tài)熱暴露傳熱

2.1.1 傳熱方程

TORVI 建立了外層熱防護(hù)織物的一維傳熱模型以預(yù)測閃火條件下織物的熱響應(yīng)，應(yīng)用比爾定律來描述熱暴露過程中織物對輻射熱的吸收。該模型基于ASTM D 4108 臺(tái)式測試裝置，考慮了燃燒器、織物及環(huán)境之間的對流及輻射傳熱，織物內(nèi)的傳導(dǎo)、輻射和熱化學(xué)反應(yīng)，織物與傳感器間空氣層的輻射及傳導(dǎo)/對流耦合傳熱，傳感器的導(dǎo)熱。應(yīng)用比爾定律的織物-空氣層-傳感器系統(tǒng)的模型如下。

式中：CA為顯示容，其值為比熱乘體積質(zhì)量，這里包含了化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的能量［J/（m3·K）］；k為導(dǎo)熱系數(shù)［W/（m·K）］；T為溫度（K）；t為時(shí)間（s）；qrad為織物表面的輻射熱通量（W/m2）；γ為消光系數(shù)。該模型中物性參數(shù)隨溫度變化，且包含了與熱化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的能量，得到了較為廣泛的應(yīng)用。GHAZY 等對多層織物系統(tǒng)的各層織物、織物層間空氣層都做出了更加詳細(xì)的分析，分別建立相應(yīng)的傳導(dǎo)輻射耦合熱傳遞微分方程。SU 進(jìn)一步針對外層熱防護(hù)織物發(fā)射率高等特點(diǎn)對傳熱模型進(jìn)行了改進(jìn)，全面考慮多孔織物中輻射熱的吸收、透射、反射及自發(fā)射特性，基于輻射雙通量模型，探究了織物光學(xué)特性對熱防護(hù)性能的影響。GHAZY 和SU 傳熱模型的輻射熱部分均通過比爾消光定律得到，引入與TORVI 模型相似的熱源項(xiàng)來描述織物系統(tǒng)中的輻射傳熱。

MELL 和LAWSON 基于傳導(dǎo)輻射耦合基本方程，建立了輻射熱流下多層織物系統(tǒng)的一維傳熱模型，方程如下。

式中：ρ為體積質(zhì)量（kg/m3）；Cp為織物的定壓比熱容［J/（kg·K）］；g為單位體積內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量（W/m3）。模型考慮多層織物間的輻射反射，輻射傳熱部分通過輻射傳遞方程（RTE）積分得到，光譜強(qiáng)度的輻射熱傳遞方程如下。

式中：Iλ為輻射強(qiáng)度［W/（m2·sr）］；s為輻射光束路徑長度（m）；θ和φ為球坐標(biāo)系中輻射束的極角 與 方 位 角；kλ為 空 氣 吸 收 系 數(shù)；Ib，λ為 黑 體 強(qiáng) 度［W/（m2·sr）］。該模型考慮短時(shí)間的輻射暴露，假定織物溫度未達(dá)到纖維熱降解溫度。此外，RTE 方 程 還 受 用 于GHAZY［16］模 型 中 空 氣 層 的輻射熱模型。

還有部分學(xué)者為考慮真實(shí)火場條件下織物的實(shí)際變化，對傳熱模型做出了相應(yīng)改進(jìn)。為考慮織物熱分解對傳熱產(chǎn)生的影響，ZHU 等［17］在TORVI 的傳熱模型基礎(chǔ)上納入了YANG［18］的熱解反應(yīng)模型，模型預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了該模型的可靠性。GHAZY 建立了考慮織物收縮效應(yīng)的織物、空氣、皮膚傳熱模型，織物受熱收縮將直接導(dǎo)致織物與皮膚之間的空氣層發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)一步影響傳熱，空氣層間隙為動(dòng)態(tài)氣隙模型。還有學(xué)者建立了含相變材料的多層熱防護(hù)織物系統(tǒng)傳熱模型，控制方程中均加入了相變潛熱項(xiàng)描述相變過程引起的熱量變化［19-20］。此外，人體運(yùn)動(dòng)引起的空氣層動(dòng)態(tài)變化、熱暴露距離的變化［21］等情況逐漸被眾學(xué)者考慮。

2.1.2 邊界條件

傳熱模型的邊界條件根據(jù)外界不同的熱源種類有所差異。TORVI 建立的閃火條件下單層織物的一維傳熱模型，織物系統(tǒng)外邊界為純火焰對流條件，內(nèi)邊界為織物與皮膚之間空氣層的輻射及傳導(dǎo)/對流耦合傳熱，靠近熱源的織物表面邊界條件如下。

式中：hfl為火焰對流換熱系數(shù)［W/（m2·K）］；Tg和Tf分別代表熱空氣的溫度和織物的外表面溫度（K）。還有部分學(xué)者認(rèn)為燃燒器溫度過高，一部分熱量同樣通過輻射的方式傳遞［22］。

MELL、SU、ONOFREI 考慮低輻射條件，建立低輻射熱暴露下傳熱模型的邊界條件。UDAYRA 在其輻射熱模型中，邊界條件考慮受熱面對輻射熱的吸收，同時(shí)考慮織物表面對環(huán)境的輻射與對流散熱，邊界條件如下。

式中：εf為織物表面的發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；Tamb為環(huán)境溫度（K）；hamb為由織物表面自然對流損失引起的對流換熱系數(shù)［W/（m2·K）］。

2.2 熱濕耦合傳遞

實(shí)際消防作業(yè)環(huán)境中，由于外界消防用水及高溫高熱環(huán)境導(dǎo)致的人體蒸發(fā)散熱，水分的存在會(huì)較大程度地影響熱防護(hù)服的防護(hù)性能?？紤]到水分的存在對織物熱力學(xué)和輸運(yùn)性質(zhì)的影響，PRASAD 等建立了中低輻射熱流下的多層熱防護(hù)織物的瞬態(tài)熱量和質(zhì)量傳遞控制方程，該模型考慮織物內(nèi)部的分子擴(kuò)散及水蒸氣流動(dòng)引起的傳質(zhì)，而不考慮織物表面的擴(kuò)散及纖維的毛細(xì)作用，輻射傳熱模型采用的是MELL 輻射模型的拓展［23］。FU 等基于該模型進(jìn)一步研究濕織物在含水量飽和情況下的傳熱傳質(zhì)［24］。

CHITRPHIROMSRI 結(jié) 合GIBSON［25］的 單層多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)模型以及TORVI 輻射滲透模型，建立織物-空氣層-皮膚熱濕傳遞模型的能量守恒方程。

SONG 等 人 采 用CHITRPHIROMSRI 的 模型就是否考慮織物與皮膚之間的空氣層進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明空氣層的存在緩解了外界向皮膚的熱傳遞，同時(shí)也驗(yàn)證了該模型能較好的預(yù)測織物中的溫度及濕度分布。黃冬梅同樣基于CHITRPHIROMSRI 的熱濕傳遞模型，進(jìn)一步考慮多層織物層間的空氣層及層間的相互影響，系統(tǒng)內(nèi)的液體運(yùn)動(dòng)只考慮毛細(xì)作用，而不考慮壓力驅(qū)使下的流動(dòng)［26］。SU 等建立蒸汽壓力作用下織物的熱濕傳遞模型，模型考慮織物受到外界的碰撞射流、壓差引起的蒸汽流動(dòng)、動(dòng)態(tài)吸濕和相變，但忽略了纖維的吸濕膨脹以及液態(tài)水的轉(zhuǎn)移等［27］。

2.3 織物冷卻過程傳熱

消防作業(yè)中，大量的能量儲(chǔ)存在織物系統(tǒng)中，由于熱量的自然釋放或受到外界壓力被迫釋放，很有可能導(dǎo)致皮膚燒傷。TORVI 將單層織物的傳熱模型拓展到熱暴露結(jié)束后冷卻階段的傳熱模型，其認(rèn)為織物在冷卻階段，織物內(nèi)熱量傳遞只通過導(dǎo)熱、對流及輻射換熱發(fā)生在靠近熱源的織物表面，該簡化模型使得輻射傳熱部分易于處理，能較好的預(yù)測冷卻過程中單層織物的熱量分布［28］。

SU 和ONOFREI 建立了低輻射暴露熱暴露及冷卻階段的傳熱模型，SU 對三層典型熱防護(hù)織物系統(tǒng)各層分別建立相應(yīng)的能量守恒關(guān)系式及其換熱邊界條件，冷卻階段的三層織物的傳熱方式均為導(dǎo)熱，不考慮織物層間空氣。隨后其又進(jìn)一步考慮熱暴露結(jié)束后，高強(qiáng)度壓縮條件下織物的熱防護(hù)性能，織物厚度、織物中空氣含量及織物與皮膚間的空氣層均隨著壓力發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。GHAZY 等分別考慮織物熱收縮以及人體運(yùn)動(dòng)，建立了閃火熱暴露及冷卻過程中的傳熱模型，織物受熱后的收縮效應(yīng)及運(yùn)動(dòng)擠壓對織物系統(tǒng)，特別是織物及人體皮膚之間的空氣層動(dòng)態(tài)傳熱模型有直接影響，進(jìn)一步影響熱傳遞。

3 數(shù)值模擬方法

熱防護(hù)織物傳熱仿真的控制方程及邊界條件數(shù)值求解，可根據(jù)離散方法的不同分為有限差分法、有限體積法以及有限元法。ZHU、SU、CHITRPHIROMSRI 等均采用有限差分的方法對控制方程進(jìn)行數(shù)值求解，使用Crank-Nicholson格式對瞬態(tài)偏微分方程進(jìn)行離散化，輻射非線性項(xiàng)采用高斯-塞德爾逐點(diǎn)迭代消除。MELL、PRASAD 和FU 利用有限體積法推導(dǎo)出控制方程的差分格式，認(rèn)為有限體積法離散保證了局部能量或質(zhì)量守恒，并且不需要高階倒數(shù)，采用Runge-Kutta 顯格式數(shù)值求解得到任意時(shí)刻的織物及空氣層的溫度或濕度分布，并由此推導(dǎo)出其他物理參數(shù)。TORVI 在其熱防護(hù)織物傳熱模型的求解方法中最初用到了有限元法，認(rèn)為這個(gè)模型會(huì)和人體一樣包含不規(guī)則幾何形狀，使用伽遼金加權(quán)余量法構(gòu)造有限元矩陣來求解微分方程。

前期的研究均通過不同的數(shù)值求解方法將傳熱傳質(zhì)模型離散成不同的數(shù)值形式，通過計(jì)算機(jī)編寫程序得到其數(shù)值解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于有限元或有限體積原理的各類計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件層出不窮，已在機(jī)械、航空及土木等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［29］。近年來較多學(xué)者將其應(yīng)用在紡織服裝領(lǐng)域，數(shù)值模擬的速度及準(zhǔn)確度均有了較大的提升。張慧［30］、鄭慧琴［31］應(yīng)用ANSYS 有限元軟件分別建立含相變-氣凝膠材料及形狀記憶合金的多層熱防護(hù)織物系統(tǒng)的幾何模型，但在高溫環(huán)境下，織物內(nèi)傳熱只考慮傳導(dǎo)或相變潛熱，忽略輻射熱的影響，與實(shí)際火場真實(shí)條件存在一定差異。JIANG 等建立服裝及皮膚的一維傳導(dǎo)輻射耦合傳熱模型，輻射傳熱部分采用有限體積法求解，同時(shí)結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）FrontFlow/Red（FFR）程序進(jìn)行燃燒流動(dòng)及傳熱傳質(zhì)的三維模擬［32］。TIAN利用ANSYS-FLUENT 軟件建立考慮人體形狀的三維有限體積模型，并進(jìn)行燃燒室的火場仿真及瞬態(tài)傳熱模擬［33］。UDAYRA 同樣采用FLUENT 對織物及空氣層傳熱涉及到的連續(xù)、動(dòng)量及能量方程進(jìn)行求解，將純火焰或輻射兩種邊界條件作為用戶自定義函數(shù)應(yīng)用于模型中。

4 數(shù)值模擬發(fā)展趨勢

近年來，熱防護(hù)織物模型從單層發(fā)展到多層，從多層發(fā)展到考慮織物三維交織結(jié)構(gòu)的幾何模型。傳熱模型從單一的干態(tài)傳熱發(fā)展到考慮傳質(zhì)的熱濕耦模型，及熱暴露結(jié)束后的冷卻模型。模型考慮因素越來越全面，數(shù)值模擬方法、速度及精度均有了較大的提升。但目前對于熱防護(hù)織物層的建模，其形態(tài)及條件都比較理想化，對于復(fù)雜多變的火場環(huán)境以及復(fù)雜的多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)過程，熱防護(hù)織物的數(shù)值模擬仍有一定的發(fā)展空間。

（1）織物組織結(jié)構(gòu)特征的微觀建模仿真。前期研究為使傳熱過程易于分析，多采用簡化模型，熱防護(hù)織物層的傳熱模型較多還是采用一維平壁傳熱。質(zhì)均的平壁模型沒有考慮到織物的多相物質(zhì)構(gòu)成及其微觀組織結(jié)構(gòu)，模擬結(jié)果與織物實(shí)際傳熱過程有一定差異。在今后的研究中可逐漸建立考慮織物交織結(jié)構(gòu)特征、多維度的多孔介質(zhì)傳熱模型。

（2）綜合考慮傳熱傳質(zhì)多因素耦合。熱防護(hù)織物傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬本身受到多因素、多水平的影響，應(yīng)充分考慮實(shí)際條件優(yōu)化傳熱模型，提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。建立相應(yīng)的傳熱模型時(shí)，應(yīng)充分考慮真實(shí)火場環(huán)境及實(shí)際織物狀態(tài)，盡可能地將對結(jié)果有較大影響的因素納入模型中，減少模型簡化對數(shù)值模擬結(jié)果造成的誤差。

（3）注重應(yīng)用需求為目的。前期關(guān)于熱防護(hù)織物數(shù)值模擬研究，其目的主要是利用數(shù)值模擬結(jié)果得到織物、空氣層及皮膚的溫度分布，進(jìn)行熱防護(hù)性能測評及皮膚燒傷預(yù)測，但不同模型假設(shè)下，甚至物性參數(shù)取值不同，熱防護(hù)織物傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬結(jié)果都會(huì)有較大差別，限制了數(shù)值模擬在熱防護(hù)性能實(shí)際測評中的廣泛使用。對熱防護(hù)織物進(jìn)行參數(shù)化分析，找到材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等對熱防護(hù)性能影響的變化規(guī)律及敏感程度，同時(shí)結(jié)合商業(yè)化的CAE 軟件進(jìn)行參數(shù)化建模及傳熱仿真模擬，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化一體化，降低成本，縮短研發(fā)周期，為熱防護(hù)織物性能及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及新型熱防護(hù)紡織品材料的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一個(gè)新的發(fā)展方向。

《棉紡織技術(shù)》針對“安全與防護(hù)用紡織品”專題征稿

紡織品分為服裝、家紡和產(chǎn)業(yè)用三大部分。我國產(chǎn)業(yè)用紡織品共分16 大類，安全與防護(hù)用紡織品是其中之一。安全與防護(hù)用紡織品作為產(chǎn)業(yè)用紡織品的重要內(nèi)容，通常指在特定的環(huán)境下保護(hù)人員和動(dòng)物免受物理、生物、化學(xué)和機(jī)械等因素傷害的紡織品，具有防割、防刺、防彈、防爆、防火、防塵、防生化、防輻射等功能，具體可分為個(gè)體防護(hù)裝備和防護(hù)服兩大類。當(dāng)前安全與防護(hù)用紡織品已廣泛應(yīng)用于石油、冶金、發(fā)電、水利、礦山、海運(yùn)、消防、救生等領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，我國安全與防護(hù)用紡織品產(chǎn)業(yè)已取得了長足的發(fā)展，且仍保持著世界領(lǐng)先的增長速度。安全與防護(hù)用紡織品已經(jīng)越來越普遍地走入大眾視野，隨著許多新興產(chǎn)業(yè)的興起、人們健康和安全意識的加強(qiáng)、安全生產(chǎn)法規(guī)的健全，人們對安全與防護(hù)用紡織品的性能要求越來越高。安全與防護(hù)用紡織品涉及國家公共安全及應(yīng)急處置產(chǎn)業(yè)，是“軍民融合”戰(zhàn)略下新興產(chǎn)業(yè)與民生產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)，其研發(fā)力度越來越大，市場發(fā)展前景越來越廣闊。

作為紡織工程技術(shù)人員的良師益友，《棉紡織技術(shù)》為更好地適應(yīng)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的新需求，順應(yīng)以技術(shù)創(chuàng)新提升企業(yè)核心競爭力的發(fā)展理念，應(yīng)廣大讀者要求，近期面向全國的高校、科研院所及紡織企業(yè)的科技人員進(jìn)行“安全與防護(hù)用紡織品”專題征稿。探究安全與防護(hù)用紡織品領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，為我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供借鑒和參考。

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