基于三維間隔織物的隔熱服傳熱模擬

K.Krause，P.Grünefeld，L.Barth，L.Lechthaler，C.Peiner，T.Gries

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(德國)

ZIM項(xiàng)目HEATex(編號：ZF4018754CJ6)旨在開發(fā)一種具有三維間隔編織和相變性能的隔熱紡織品。采用這種紡織品可制作高溫環(huán)境下工人穿著的內(nèi)衣。在德國，大約有10%的工人在高溫場所工作(鍛造和鑄造金屬、玻璃、陶瓷和鋼鐵產(chǎn)品，消防等)。隔熱紡織品可防止外部防護(hù)服與皮膚直接接觸，改善人體自身水分的吸收和運(yùn)輸。隔熱紡織品中的固相相變材料在相變過程中可吸收大量的能量，附加的鋁層則用作輻射反射器。為通過抽象的形式研究紡織品的隔熱效果，本文在進(jìn)行試驗(yàn)測試的同時(shí)，建立了一個(gè)仿真模型，以實(shí)現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)對不同層結(jié)構(gòu)和紡織結(jié)構(gòu)的適用性進(jìn)行測試。采用法國Dassault Systèmes公司的仿真軟件Abaqus/CAE創(chuàng)建仿真模型。

1 模擬模型/解決方法的建立

在仿真過程中，通過適當(dāng)?shù)募僭O(shè)對隔熱紡織品的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行了簡化。由對流造成的隔熱紡織品的傳熱可忽略不計(jì)，因?yàn)樵诰o密貼身的防護(hù)服下，僅發(fā)生少量的空氣流動(dòng)。上層防護(hù)面料可減少傳入的輻射熱，因此理想狀態(tài)下防護(hù)服的熱輻射可忽略不計(jì)。由于輻射強(qiáng)度低，因此隔熱內(nèi)衣的熱輻射也可忽略。

接下來，在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)下，對隔熱紡織品的子系統(tǒng)進(jìn)行簡化。假設(shè)紡織層為具有各向同性材料特性的固體材料組成。通過調(diào)整材料參數(shù)，可考慮紡織層內(nèi)空氣夾雜物及同一層內(nèi)不同材料的使用。材料參數(shù)采用各織物層的材料參數(shù)的平均值。調(diào)整材料參數(shù)中的質(zhì)量密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容來模擬織物模型的熱傳遞。相變材料的能量吸收通過特定的熔化焓Δh=198kJ/kg加以探究。潛熱蓄能器的比熱容c=2.4 kJ/(kg·K)。

再下一步是組裝子模型以生成整體模型。本文使用的是有限元方法。子模型通過無損熱能傳遞連接。本文建立的模擬模型中，隔熱紡織品的層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 模擬模型中的層結(jié)構(gòu)示意圖

2 模擬評估

在79.2 ℃(圖2)條件下，模擬所得的最終溫度略高于在有接觸熱和無壓力的情況下記錄的隔熱紡織品的實(shí)測溫度。模擬溫度最大值Tmax=72 ℃。原因之一是未對傳出的熱流進(jìn)行建模。實(shí)際上，隔熱紡織品被空氣環(huán)繞，由溫度差異引起的織物上的空氣循環(huán)導(dǎo)致織物通過自然對流冷卻。這種影響被測試環(huán)境中空氣流動(dòng)形式的強(qiáng)制對流所強(qiáng)化。

圖2 仿真模擬的溫度和試驗(yàn)測試的溫度分布對比

仿真模型中的傳熱機(jī)理僅映射了紡織品層平面的仿真尺度上。這表明建模時(shí)，未映射纖維尺度上帶有空氣夾雜物的傳熱機(jī)理。模擬有限元素的特征元素長度l元素=0.884 mm，這是在足夠精度的溫度分布分辨率與合理的模擬計(jì)算時(shí)間之間折衷的結(jié)果。

在模型中模擬了真實(shí)紡織品的蜂窩結(jié)構(gòu)。盡管兩層材料的參數(shù)不同，但蜂窩結(jié)構(gòu)的溫度與相鄰層的溫度幾乎沒有差別。部分充氣蜂窩結(jié)構(gòu)的隔熱效果在模擬中沒有體現(xiàn)出來。此外，模擬中也沒有考慮到隨著表面增大而強(qiáng)化了的對流的影響。材料參數(shù)的某些不準(zhǔn)確導(dǎo)致這樣一個(gè)結(jié)果：盡管進(jìn)行了同一數(shù)量級的簡化，但模擬和測試得到的最終溫度仍存在差異。

盡管仿真模型結(jié)構(gòu)簡單，但其測試數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比表明模擬測試仍然是可行的。比較結(jié)果表明，模擬結(jié)果能夠較好地反映熱傳遞現(xiàn)象。借助仿真模型，可以初步高效、快速地對紡織品進(jìn)行預(yù)估。此外，仿真模型中的各組件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)材料參數(shù)或?qū)咏Y(jié)構(gòu)的快速更改，這可用于優(yōu)化隔熱服性能。與試驗(yàn)相比，仿真模擬的優(yōu)勢在于計(jì)算出的數(shù)據(jù)不會(huì)受到相同誤差源的影響。因此，可以將仿真模擬的環(huán)境參數(shù)設(shè)置為常數(shù)。實(shí)際試驗(yàn)測試易受到自然波動(dòng)和不規(guī)則的影響，在模擬中可去掉測量值的異常值。模擬的誤差來源于對紡織品層結(jié)構(gòu)的建模。

模擬過程中，必須確保所用材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。如果材料參數(shù)已知，則可以進(jìn)一步將其他物理效應(yīng)(如輻射影響)集成到模擬中。建議通過簡化和利用幾何中的對稱性來最小化所需的計(jì)算能力。作為HEATex研究項(xiàng)目一部分而開發(fā)的仿真模型已在德國亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所初步應(yīng)用，其隔熱紡織品材料參數(shù)來自德國STS紡織品公司。

黃嘉磊 譯 羅 艷 校