棉紗緯平針織物的熱濕耦合仿真模擬

中圖分類號(hào)：TS186.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2025）05-0116-10

服裝的核心功能在于幫助人體在日?；顒?dòng)中維持適宜的體溫和濕潤(rùn)度，該功能主要取決于服裝面料的熱濕傳遞性能。導(dǎo)熱性能良好的面料能快速將身體產(chǎn)生的熱量傳輸?shù)酵饨绛h(huán)境，給人體提供舒適、涼爽的穿著體驗(yàn)[1]；纖維性能對(duì)織物熱濕舒適性的影響占主要地位，很大程度上決定了織物的吸濕排汗效果[2]。由于紡織品為多孔集合體，大多具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不同種類的纖維，織物內(nèi)部的熱量、水分動(dòng)態(tài)傳輸過(guò)程充滿未知性和不穩(wěn)定性，較難實(shí)際測(cè)量及分析織物的熱濕耦合傳遞性能[3-4]。另外，紡織品進(jìn)行熱濕耦合傳遞時(shí)的動(dòng)態(tài)性和環(huán)境影響因素的非線性變化，會(huì)導(dǎo)致熱濕耦合傳遞模型的求解非常困難。

近年來(lái)，隨著有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，部分學(xué)者已將有限元法應(yīng)用于織物的熱量傳遞模擬中，實(shí)現(xiàn)了模型求解的準(zhǔn)確性與高效率[5-6]，但熱濕耦合傳遞的模擬研究相對(duì)較少。熊巧玲等7利用有限元仿真技術(shù)構(gòu)建了圓筒式織物熱濕舒適儀的數(shù)值模型，預(yù)測(cè)分析織物在不同空氣層厚度、不同環(huán)境工況下的傳熱與導(dǎo)濕性能；Shen等8運(yùn)用有限元仿真模擬技術(shù)對(duì)機(jī)織平紋織物試樣進(jìn)行熱量傳遞模擬，研究手指接觸時(shí)織物內(nèi)部的傳熱效果以及溫度分布情況；Zheng等[9采用有限元法對(duì)5/3緞紋組織、雙層平紋組織和雙層斜紋組織的機(jī)織物進(jìn)行傳熱模擬

為深入理解織物內(nèi)部熱濕耦合傳遞的過(guò)程及機(jī)理，本文將運(yùn)用有限元仿真模擬技術(shù)對(duì)棉紗緯平針織物的熱濕耦合傳遞性能進(jìn)行探究，擬通過(guò)建立緯平針織物的三維幾何模型，利用COMSOL軟件對(duì)織物進(jìn)行熱濕耦合傳遞模擬分析，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證緯平針織物熱濕耦合仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性。

理論與計(jì)算

1. 1 熱量傳遞理論

熱量傳遞主要包括3種基本方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。但在日常情況下，人體不足以產(chǎn)生有效的熱量輻射，不會(huì)對(duì)織物內(nèi)部的熱量傳遞帶來(lái)極端影響。因此，織物內(nèi)外環(huán)境之間的熱量傳遞主要以傳導(dǎo)和對(duì)流兩種方式進(jìn)行。根據(jù)傅里葉定律可知，織物內(nèi)部發(fā)生導(dǎo)熱時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定織物截面的導(dǎo)熱量，與垂直于該截面方向上的溫度變化率成正比，但熱量傳遞方向與溫度升高的方向相反，該定律可用熱流密度 q 形式來(lái)表示，如式（1）所示：

式中： q 為熱流密度， W/m² k 為導(dǎo)熱系數(shù)， W/（m?C） ：?T/?x 為熱流方向上的溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移。根據(jù)公式（1）可進(jìn)一步得織物熱阻的計(jì)算公式，如式（2）所示：

式中： R 為織物熱阻系數(shù)， m²?C/W;d 為織物試樣的厚度， m 。

1. 2 水分傳輸理論

從織物的組織結(jié)構(gòu)來(lái)講，針織物的線圈結(jié)構(gòu)使其具有良好的傳輸性能，如水蒸氣滲透性、透氣性等，并且從纖維到紗線、織物，每個(gè)尺度都對(duì)織物整體的吸濕性能有影響[10]?？椢锩媪现械乃?jǐn)U散現(xiàn)象遵循能量守恒定律和菲克定律，由此可計(jì)算織物的水分?jǐn)U散通量 J 指標(biāo)，計(jì)算公式如式（3）所示：

式中： J 為水分?jǐn)U散通量， g/（m²?h）;D 為水分?jǐn)U散速率， m²/h;?C/?x 為水分傳遞方向上的濕度梯度，g/m³ 。結(jié)合織物所處環(huán)境的內(nèi)外水蒸氣分壓差，使用透濕度 M 來(lái)表示水汽實(shí)際通過(guò)織物的難易程度，計(jì)算結(jié)果能更加符合真實(shí)情況，計(jì)算公式如式（4）所示：

式中： M 為透濕度， kg/（m²?Pa?h） ： ΔP 為織物試樣兩側(cè)的水蒸氣分壓差， Pa;P_sk 為試驗(yàn)溫度下的飽和水蒸氣壓力， Pa;Δφ 為透濕儀器測(cè)試時(shí)，大氣相對(duì)濕度與透濕杯內(nèi)的相對(duì)濕度差。

濕阻大，表明織物不容易讓水蒸氣透過(guò)，不利于排汗排濕，反之說(shuō)明水蒸氣容易透過(guò)織物，利于水汽的排出。濕阻 R_et 與水分?jǐn)U散通量 M 之間的關(guān)系，如式（5）所示：

式中： R_et 為濕阻， 為試驗(yàn)板表面溫度是 T 時(shí)的飽和水蒸氣潛熱，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下為 。

1.3 紗線孔隙率

織物內(nèi)部、紗線之間和纖維束的內(nèi)部均存在靜止空氣，因此織物的有效熱濕阻由纖維和空氣兩部分共同組成。可利用孔隙率理論計(jì)算織物各組分的孔隙率，計(jì)算公式如式（6）所示：

式中： W 為織物試樣的克重， g/m²;S 為織物試樣發(fā)生熱濕交換的表面積， m²;ρ 為織物紗線的體積密度， kg/m³ 。

織物總孔隙率 P 代表著織物系統(tǒng)的靜止空氣百分比，包含紗線之間的孔隙率 P₁ 、單根紗線的孔隙率 P₂ ?？衫每椢锏捏w積函數(shù)求得固體流域的體積 V₁ 和流體域的體積 V₂ ，單根紗線的孔隙率 P₂ 可通過(guò)式（7）求得[]：

2 織物幾何模型構(gòu)建

本文將緯平針織物作為研究對(duì)象，其由純棉紗線織造而成，紗線細(xì)度為 19.2tex ，織物試樣的正、反面如圖1所示。采用國(guó)標(biāo)來(lái)測(cè)試織物試樣的基本規(guī)格參數(shù)，結(jié)果匯總見(jiàn)表1。

表1棉紗緯平針織物試樣的規(guī)格參數(shù)

采用有限元法模擬織物內(nèi)部的熱濕耦合傳遞，首先需要準(zhǔn)確建立織物的三維幾何模型。理想狀態(tài)下，織物由無(wú)數(shù)個(gè)相同的線圈單胞循環(huán)串套而成，利用蔡司光學(xué)顯微鏡對(duì)織物試樣進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)試并記錄一個(gè)線圈單胞的結(jié)構(gòu)參數(shù)?；诹呅卧?，對(duì)織物試樣的單個(gè)完整線圈進(jìn)行空間型值點(diǎn)的賦予，各空間型值點(diǎn)之間的幾何關(guān)系以及針織線圈的傾斜角度0，如圖2所示。

將空間型值點(diǎn)1定義在三維幾何原點(diǎn)，根據(jù)各點(diǎn)之間的三角函數(shù)關(guān)系，計(jì)算得出針織線圈的傾斜角度 θ 以及空間型值點(diǎn)2、3的 Z 軸坐標(biāo)，計(jì)算公式如式（9）—（10）所示[12]。由于針織線圈的對(duì)稱性質(zhì)，在計(jì)算得出空間型值點(diǎn)1一4的三維坐標(biāo)后，即可推算出完整單個(gè)線圈的空間型值點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)，八個(gè)空間型值點(diǎn)的坐標(biāo)匯總于表2，坐標(biāo)單位為 mm 。

式中： b 為紗線直徑， mm;h 為織物厚度， mm;a 為圖2（b）中空間型值點(diǎn)之間的長(zhǎng)度， mm;α 為空間型值點(diǎn)4、3、2之間的夾角， （^°） ; θ 為針織線圈與水平面之間的傾斜角度， （^°） 。

得到單個(gè)完整線圈的空間型值點(diǎn)后，根據(jù)織物規(guī)格構(gòu)建7個(gè)循環(huán)線圈的空間型值點(diǎn)，采用有理B樣條曲線構(gòu)建紗線的屈曲路徑，保證紗線模型幾何參數(shù)的完整性；接著使用AutoCAD軟件中的三維模型掃掠功能，根據(jù)實(shí)測(cè)的紗線細(xì)度對(duì)幾何路徑賦予直徑屬性，形成單根完整的紗線模型；最后，根據(jù)緯平針織物試樣的橫密、縱密參數(shù)，對(duì)多個(gè)線圈模型進(jìn)行陣列分布。紗線模型的建模過(guò)程如圖3（a）—（c）所示，截面形狀統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)圓形，直徑為 0.126mm ，最終構(gòu)建的完整織物幾何模型如圖3（d）所示，幾何模型為實(shí)體。

3 COMSOL有限元仿真模擬

當(dāng)織物內(nèi)外環(huán)境之間存在溫度和濕度差時(shí)，織物系統(tǒng)和衣下空氣層內(nèi)會(huì)同時(shí)發(fā)生熱量傳遞和水分傳遞。在日常生活情景中，人體皮膚表面的舒適溫度為 32^°C 左右，織物系統(tǒng)和衣下空氣層內(nèi)主要以傳導(dǎo)和對(duì)流的方式進(jìn)行熱量傳遞，水分傳遞主要包括蒸發(fā)、吸濕和擴(kuò)散3種方式。人體皮膚表面的汗液有氣態(tài)和液態(tài)之分，氣態(tài)水分主要通過(guò)織物中的纖維吸濕、放濕和織物孔隙中的空氣向外擴(kuò)散，液態(tài)水分主要通過(guò)纖維的吸濕、擴(kuò)散進(jìn)行傳遞，再考慮織物本身的物理屬性，織物的熱濕傳遞機(jī)理將變得更加復(fù)雜[13]。當(dāng)紗線和纖維吸濕時(shí)，會(huì)釋放吸濕熱，導(dǎo)致織物系統(tǒng)內(nèi)的溫度上升，蒸汽壓力升高，降低織物內(nèi)外環(huán)境之間的水蒸氣分壓梯度，進(jìn)而減慢水分傳遞的速率[14]。因此，織物系統(tǒng)和衣下空氣層中的熱量傳遞與水分傳遞相互影響，共同形成了熱濕耦合傳遞現(xiàn)象。

緯平針織物試樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)所為恒溫恒濕的房間，占地約 30m² 。測(cè)試過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)人員需穿上由棉紗緯平針織物制成的T恤衫，在室內(nèi)進(jìn)行慢跑活動(dòng)，全程 10min ，跑速為 6.5km/h 。慢跑前后，實(shí)驗(yàn)人員需靜坐在椅子上，使用動(dòng)態(tài)溫濕度自動(dòng)記錄儀監(jiān)測(cè)針織服裝的熱濕指標(biāo)。根據(jù)服裝工效學(xué)的相關(guān)方法得知，通常采用面積加權(quán)方式測(cè)量計(jì)算人體皮膚的平均溫度。然而，由于本文僅測(cè)試針織T恤衫，因此只測(cè)量人體上半身的主要出汗部位，即前胸部位，進(jìn)行人體皮膚、衣下空氣層的溫度和相對(duì)濕度測(cè)量，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3織物微環(huán)境熱濕指標(biāo)的變化情況

3.1 假設(shè)條件

為了提高仿真模擬的計(jì)算效率，本文對(duì)仿真條件進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，并對(duì)緯平針織物的熱濕耦合傳遞進(jìn)行以下假設(shè)：

a）假設(shè)通過(guò)緯平針織面料的熱量、水分通量方向垂直于織物表面。

b）假設(shè)纖維材料的物理屬性為各向同性。

c）假設(shè)棉紗緯平針織面料與外界環(huán)境之間的熱量交換以傳導(dǎo)和對(duì)流的方式進(jìn)行，以擴(kuò)散的方式進(jìn)行水分傳遞。

3.2 仿真模型設(shè)置

將緯平針織物三維模型（見(jiàn)圖4（a））導(dǎo)入有限元分析軟件COMSOL中，利用軟件構(gòu)造出位于人體皮膚和織物系統(tǒng)之間的衣下空氣層，再使用布爾運(yùn)算操作將織物模型和空氣部件形成聯(lián)合體模型，如圖4（b）所示。通常情況下，當(dāng)衣下空氣層厚度較小時(shí)，織物內(nèi)部的自然對(duì)流對(duì)熱量、水汽傳遞的影響較小[15]。緯平針織物的熱濕耦合仿真模型分為兩個(gè)區(qū)域和兩個(gè)邊界，分別是衣下空氣層區(qū)域、織物系統(tǒng)區(qū)域以及人體皮膚表面、外界空氣兩個(gè)邊界，其中，本文為了展現(xiàn)服裝的貼身穿著狀態(tài)，將衣下空氣層的厚度定義為 2mm ，以及織物系統(tǒng)區(qū)域包含織物、靜止空氣模型，緯平針織物的熱濕耦合物理場(chǎng)如圖4（c）所示。

模型構(gòu)建完成后，需要對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。一般來(lái)說(shuō)，幾何模型中網(wǎng)格數(shù)量越多，有限元模擬結(jié)果越精確，但也意味著計(jì)算需要更多的求解時(shí)間和計(jì)算內(nèi)存，以及網(wǎng)格單元的階數(shù)和劃分方法也會(huì)影響網(wǎng)格描述的精度。由于緯平針織物模型具有彎曲結(jié)構(gòu)，使用自由四面體網(wǎng)格可以精確描述復(fù)雜的幾何特征，提高仿真模擬的精確度；而衣下空氣層模型僅為一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，采用五面體網(wǎng)格即可準(zhǔn)確描述。因此，本文使用COMSOL軟件的自由劃分網(wǎng)格功能，對(duì)織物系統(tǒng)模型使用自由四面體網(wǎng)格劃分；對(duì)衣下空氣層模型采用五面體網(wǎng)格，即掃掠操作，源面為靠近衣下空氣層的織物系統(tǒng)模型內(nèi)表面，目標(biāo)面為靠近皮膚表面的衣下空氣層內(nèi)表面。該網(wǎng)格劃分方法保證了二者之間的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)連續(xù)性，并在仿真模擬的網(wǎng)格質(zhì)量檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格密度統(tǒng)一定義為細(xì)化時(shí)，得到的模擬熱阻及濕阻參數(shù)的變化不大，最終采納此網(wǎng)格劃分密度?？椢锵到y(tǒng)模型的自由四面體網(wǎng)格數(shù)為590884，衣下空氣層模型的五面體網(wǎng)格數(shù)為35175，熱濕耦合模型一共包含626599個(gè)單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

3.3 邊界條件與求解運(yùn)算

創(chuàng)建三維模型后，使用COMSOL有限元仿真軟件中的多物理場(chǎng)耦合功能，重現(xiàn)織物內(nèi)外環(huán)境的實(shí)際場(chǎng)景，預(yù)測(cè)織物系統(tǒng)和衣下空氣層中的熱濕耦合傳遞過(guò)程。將棉紗和空氣的物理參數(shù)賦予對(duì)應(yīng)的幾何模型，材料參數(shù)如表4所示。設(shè)定人體皮膚表面的恒定溫度為 32.3^°C 、恒定相對(duì)濕度為 45.0% ；衣下空氣層的初始溫度為 34.6^°C 、初始相對(duì)濕度為71.0% ；針織物的初始溫度為 22.0^°C 、初始相對(duì)濕度為 65.0% ；外界空氣的恒定溫度為 22.0^°C 、恒定相對(duì)濕度為 65.0% 。運(yùn)用熱濕耦合多物理場(chǎng)進(jìn)行方程求解，結(jié)合傳熱、導(dǎo)濕物理場(chǎng)構(gòu)建傳質(zhì)方程，并選擇瞬態(tài)研究，充分模擬緯平針織物的熱濕耦合傳遞過(guò)程。為確保熱濕耦合多物理場(chǎng)的預(yù)測(cè)結(jié)果達(dá)到動(dòng)態(tài)傳遞平衡，設(shè)置仿真研究的總時(shí)間為 300.0s 步長(zhǎng)為0.5s，初始為 0s 。

1 熱濕耦合仿真模擬結(jié)果與分析

緯平針織物的熱濕耦合仿真模型描述了熱量、水分傳遞之間的耦合作用及影響。本部分重點(diǎn)研究緯平針織物仿真模型的熱濕耦合傳遞過(guò)程，包括織物系統(tǒng)模型的溫度、濕度分布云圖以及熱通量、水汽通量等結(jié)果

4.1 熱量傳遞分析

模擬運(yùn)算完成后，對(duì)熱濕耦合仿真模型的織物模型進(jìn)行熱量傳遞分析，將整個(gè)模擬過(guò)程劃分為兩個(gè)階段，包括變化狀態(tài)（ t=0～234.0 s）和平衡狀態(tài)（ t=234.0～300.0s） ，其中， Δt=234.0 s為熱量傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)平衡的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。在變化狀態(tài)中，由于人體皮膚和外界空氣存在溫度差異，人體皮膚表面的熱量會(huì)持續(xù)向外界空氣傳遞；達(dá)到 Ω_t=234.0 s時(shí)，織物系統(tǒng)內(nèi)部的熱量傳遞處于動(dòng)態(tài)平衡，織物內(nèi)部的溫度分布將不再發(fā)生變化。本文分別監(jiān)測(cè)了兩個(gè)狀態(tài)下織物模型的熱量傳遞現(xiàn)象，觀察時(shí)間點(diǎn)分別為0.5s和234.0s，織物模型的正、反面以及側(cè)面的溫度分布如圖6所示。

觀察織物模型的正、反面溫度分布可發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖6），貼近人體皮膚表面的區(qū)域溫度較高（織物反面），尤其是針織線圈的經(jīng)編弧和沉降弧部位；靠近外界空氣的區(qū)域溫度較低（織物正面），尤其是線圈的圈柱部位。具體表現(xiàn)為：當(dāng) t=0.5 s時(shí)，織物模型的最高溫度為 22.6^°C ，最低溫度為 22.0^°C ，相差了2.7% ;當(dāng) t=234.0s 時(shí)，織物模型的最高溫度為 27.9^°C ，最低溫度為 27.0^°C ，相差了 3.2% ，可發(fā)現(xiàn)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度最大值與最小值的差值近似。為了準(zhǔn)確分析織物系統(tǒng)內(nèi)部的熱量傳遞，重點(diǎn)關(guān)注針織線圈串套區(qū)域，選取的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為 Δt=5.0Δs 。并且，平行織物表面進(jìn)行水平面分割，該切面平均分割了線圈串套區(qū)域，可得到相同厚度的織物系統(tǒng)模型切面云圖，t=5.0 s時(shí)織物系統(tǒng)的溫度和熱通量分布如圖7所示

由于緯平針織結(jié)構(gòu)的特殊性，鄰近的紗線相互串套，形成緊密接觸的線圈串套區(qū)域。圖7中的放大圖像為針織線圈的單胞結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)線圈串套區(qū)域的平均溫度低于鄰近靜止空氣，而平均熱通量高于鄰近靜止空氣。具體表現(xiàn)為，當(dāng) t=5.0 s時(shí)，線圈串套區(qū)域的平均溫度為 22.60^°C ，平均熱通量為139.95W/m² ;而鄰近靜止空氣的平均溫度為 22.68^°C ，平均熱通量為 37.01W/m² 。得知，前者的平均溫度、平均熱通量分別比后者低 0.4% 和高 73.6% ，在t=5.0s 至 t=234.0s 時(shí)間段內(nèi)，線圈單胞內(nèi)不同區(qū)域的熱量傳遞效果相差明顯

觀察圖7（b）可發(fā)現(xiàn)，線圈單胞內(nèi)的靜止空氣平均熱通量顯著低于線圈串套區(qū)域，表明皮膚的熱量主要通過(guò)線圈串套區(qū)域向外傳遞。已知，衣下空氣層的初始溫度高于織物系統(tǒng)，熱量需從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域轉(zhuǎn)移，即從人體皮膚表面向外界空氣傳遞。然而，緯平針織物的線圈串套區(qū)域具有特殊結(jié)構(gòu)，能有效鎖住流動(dòng)空氣，形成靜止空氣層，從而顯著減少對(duì)流方面的熱量損失；并且，線圈單胞內(nèi)靜止空氣的體積占比大于紗線組分，這一特點(diǎn)也降低了線圈單胞的整體導(dǎo)熱效率。因此，線圈單胞內(nèi)線圈串套區(qū)域的平均溫度低于靜止空氣區(qū)域，如圖7（a）所示?？椢锵到y(tǒng)內(nèi)部的熱量?jī)A向于選擇線圈串套區(qū)域作為傳導(dǎo)路徑，通過(guò)線圈串套區(qū)域向外界空氣傳遞的熱量更多；而靜止空氣則延緩熱量向外傳遞的速度，具有一定的保溫性。

4.2 水分傳遞分析

對(duì)緯平針織物熱濕耦合仿真模型的水分傳遞進(jìn)行分析，將總過(guò)程劃分為兩個(gè)階段，包括變化狀態(tài)（ Δt=0～264.0s ）和平衡狀態(tài)（ t=264.0～300.0s） 。變化狀態(tài)下，由于人體皮膚和外界空氣的相對(duì)濕度存在差異，織物系統(tǒng)內(nèi)外表面之間具有水蒸氣分壓差，使得水汽從衣下空氣層向外界空氣傳遞；平衡狀態(tài)下，織物正面、反面之間已形成穩(wěn)定的濕度差，織物模型的相對(duì)濕度分布情況將不再變動(dòng)。本文分別監(jiān)測(cè)了兩個(gè)狀態(tài)下織物模型的水分傳遞現(xiàn)象，時(shí)間分別設(shè)定為1.0s和264.0s，織物模型的正、反面以及側(cè)面的相對(duì)濕度分布如圖8所示。

從圖8可看出，當(dāng) Ω_t=1.0 s時(shí)，水分主要積聚在織物反面，織物模型的最高相對(duì)濕度位于紗線的沉降弧和經(jīng)編弧部位，數(shù)值為 65.6% ，最低相對(duì)濕度位于圈柱部位，數(shù)值為 65.0% ；當(dāng)織物模型內(nèi)的水分傳遞達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，即 t=264.0s ，水分主要積聚在織物正面，織物模型的最高相對(duì)濕度位于圈柱部位，數(shù)值為 54.2% ，最低相對(duì)濕度位于紗線線圈的經(jīng)編弧和沉降弧部位，數(shù)值為 53.0% 。隨著時(shí)間推移，織物模型的整體相對(duì)濕度水平均有所下降，這是因?yàn)槭茉囌哌\(yùn)動(dòng)出汗后，衣下空氣層的初始平均相對(duì)濕度高于織物系統(tǒng)和外界空氣，織物反面的水蒸氣分壓高于正面，水分從衣下空氣層向外界空氣傳遞；衣下空氣層中的多余水分不斷被紗線吸收，再緩慢地向外界空氣轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致衣下空氣層的穩(wěn)定平均相對(duì)濕度低于織物系統(tǒng)和外界空氣，此時(shí)的水分傳遞處于動(dòng)態(tài)平衡。

通過(guò)對(duì)比變化狀態(tài)下不同時(shí)間點(diǎn)的水分傳遞現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn) t=15.0 s的水分傳遞現(xiàn)象具有代表意義，此時(shí)的水分傳遞速率較快，能有效反映水分傳遞規(guī)律。與圖7的熱量傳遞分析方法類似，平行于織物表面進(jìn)行切割，織物系統(tǒng)的相對(duì)濕度、水汽通量分布如圖9所示。

觀察圖9中線圈串套區(qū)域的放大圖像，發(fā)現(xiàn) ?_t= 15.0s時(shí)紗線和靜止空氣的水分傳遞性能差異明顯。此時(shí)，線圈串套區(qū)域的平均相對(duì)濕度為66.1% ，鄰近靜止空氣的平均相對(duì)濕度為 65.9% ，前者高出后者 0.3% ；而線圈串套區(qū)域的平均水汽通量為 27.45g/（m²?h） ，顯著低于鄰近靜止空氣的平均水汽通量 63.11g/（m²?h） 。當(dāng)織物系統(tǒng)內(nèi)水汽傳遞處于變化狀態(tài)時(shí)，皮膚表面、衣下空氣層和外界空氣三者之間都存在濕度差，衣下空氣層和外界環(huán)境之間存在較大的水蒸氣分壓差，使得水分從衣下空氣層透過(guò)織物系統(tǒng)向外界空氣擴(kuò)散。從圖9（b）可看出，水汽主要通過(guò)織物系統(tǒng)內(nèi)部的孔隙進(jìn)行擴(kuò)散，即靜止空氣組分；纖維的水分吸附性也會(huì)影響織物系統(tǒng)的整體水分傳遞效率。綜合可知，織物系統(tǒng)整體的水分傳遞效率與纖維的吸水性、織物系統(tǒng)內(nèi)的靜止空氣含量有關(guān)。

4.3 熱濕耦合傳遞綜合分析

為了突出緯平針織物仿真模型的熱濕耦合傳遞現(xiàn)象及效果，分析織物系統(tǒng)模型和衣下空氣模型的平均溫度、平均相對(duì)濕度變化情況，結(jié)果如圖10—圖11所示。

觀察圖10可知， Δt=234.0 s為織物系統(tǒng)模型和衣下空氣層模型內(nèi)熱量傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)平衡的時(shí)間點(diǎn)；當(dāng) 時(shí)，織物系統(tǒng)模型和衣下空氣層的平均溫度分別為 22.21°C 和 27.60^°C ；當(dāng) s時(shí)，兩者的平均溫度分別上升至 27.46^°C 和 30.16^°C ，織物系統(tǒng)模型的平均溫度升高 19.1% ，而衣下空氣層模型的平均溫度僅升高 8.5% ?？椢锵到y(tǒng)模型包含紗線組分和靜止空氣，由于靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較小，其有效延緩熱量流失，因此，纖維含量會(huì)顯著影響整體導(dǎo)熱效果。當(dāng)熱量傳遞處于平衡狀態(tài)時(shí)，即 ?_t= 234.0～300.0 s時(shí)間段內(nèi)，織物系統(tǒng)模型的平均溫度始終低于衣下空氣層模型，這是因?yàn)榭椢锟拷鼫囟容^低的外界空氣，而衣下空氣層靠近溫度較高的人體皮膚。綜合可知，當(dāng)織物熱濕耦合仿真模型處于熱量傳遞平衡狀態(tài)時(shí)，織物系統(tǒng)、衣下空氣層兩者的溫度平均值為 28.81^°C ，可視為織物微環(huán)境的平均溫度，此平均溫度符合人體皮膚的熱舒適要求，與劉君妹等[16]對(duì)服裝熱濕舒適性的研究結(jié)果一致，證實(shí)了棉紗緯平針織物能讓人體皮膚保持溫暖、不悶熱的感覺(jué)，既能與外界環(huán)境持續(xù)進(jìn)行熱量交換，又能維持織物內(nèi)環(huán)境的舒適溫度

觀察圖11可知， t=264.0 s為織物系統(tǒng)模型和衣下空氣模型內(nèi)水分傳遞達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。當(dāng)兩個(gè)模型的水分傳遞處于變化狀態(tài)時(shí)，即 t= 0～264.0s 時(shí)間段內(nèi)，織物系統(tǒng)模型的平均相對(duì)濕度從 65.0% 下降至 53.7% ，降低幅度為 17.4% ，但在 t=7.5 s時(shí)，織物系統(tǒng)模型的平均相對(duì)濕度升至最高峰，數(shù)值為 65.5% ；與此同時(shí)，衣下空氣模型的平均相對(duì)濕度從 53.9% 下降至 48.8% ，降幅為9.5% 。得知，織物系統(tǒng)模型的平均相對(duì)濕度下降幅度大于衣下空氣模型，并且傳遞平衡后前者的平均相對(duì)濕度高于后者，這是因?yàn)槊蘩w維具有良好的吸水性和較快的水分?jǐn)U散速度，能夠迅速吸收水分直至飽和，即 t=7.5 s時(shí)織物系統(tǒng)模型達(dá)到吸濕飽和，平均相對(duì)濕度達(dá)到峰值，在這之后，水分才能通過(guò)紗線路徑向外界空氣傳遞。當(dāng)織物熱濕耦合仿真模型的水分傳遞處于動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，織物微環(huán)境的平均相對(duì)濕度為 51.25% ，可視為織物微環(huán)境的平均相對(duì)濕度，此平均相對(duì)濕度符合人體皮膚的透濕舒適要求，與劉君妹等[16]對(duì)服裝熱濕舒適性的研究結(jié)論一致。這一濕度水平符合了人體皮膚對(duì)紡織品吸水透濕的要求，能夠保持皮膚干爽而不干燥，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與外界空氣的水汽交換，維持織物內(nèi)外環(huán)境之間的濕度平衡。

綜合對(duì)比圖10—圖11可知，對(duì)于織物熱濕耦合仿真模型整體來(lái)說(shuō)，熱量傳遞達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的所需時(shí)間少于水分傳遞，前者為 t=234.0s ，后者為 t= 264.0s，這是因?yàn)楫?dāng)熱濕耦合傳遞處于變化狀態(tài)時(shí)，織物內(nèi)外環(huán)境之間存在溫度差和相對(duì)濕度差現(xiàn)象，導(dǎo)致人體皮膚表面的汗液發(fā)生蒸發(fā)或冷凝，以及織物含水量變化會(huì)造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，隨之改變織物的傳熱性能[17]。因此，當(dāng)織物內(nèi)外環(huán)境之間的溫度差越大，紗線平均溫度的升高速度越快，導(dǎo)致織物系統(tǒng)模型的平均水蒸汽壓升高，降低了織物內(nèi)外環(huán)境之間的汽壓差，一定程度上減緩了織物微環(huán)境內(nèi)的水分傳遞速度。

4.4 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

在緯平針織物的熱濕耦合仿真模擬完成后，依據(jù)式（2）和式（6）可計(jì)算得出織物系統(tǒng)模型的模擬熱阻、濕阻，并使用YG606G紡織品熱濕阻測(cè)試儀，多次測(cè)量針織面料試樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

表5COMSOL仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表5可知，緯平針織物系統(tǒng)的模擬熱阻、濕阻與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常接近，兩者的相對(duì)誤差均屬于可接受的范圍之內(nèi)（低于 5% ），進(jìn)一步驗(yàn)證了緯平針織物熱濕耦合仿真模型的有效性和準(zhǔn)確性。仿真模擬結(jié)果與儀器實(shí)驗(yàn)之間存在誤差，有多方面因素的影響：1）在前提假設(shè)中，將紗線的物理性質(zhì)定義成各向同性，使得織物系統(tǒng)的模擬有效導(dǎo)熱系數(shù)和有效水分?jǐn)U散系數(shù)高于實(shí)際情況；2）在建模環(huán)節(jié)中，忽略了紗線表面的毛羽和紗線之間的擠壓變形，使得織物系統(tǒng)模型中的靜止空氣含量比實(shí)際少，導(dǎo)致衣下空氣層的熱量、水分流失增多。

5 結(jié)論

本文借助顯微鏡和三維建模軟件，準(zhǔn)確測(cè)量了棉紗緯平針織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)并構(gòu)建三維幾何模型，使用COMSOL仿真模擬軟件預(yù)測(cè)織物的熱濕耦合傳遞全過(guò)程，具體結(jié)論如下：

a）當(dāng)織物內(nèi)外環(huán)境之間存在溫濕度差異時(shí)，織物系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)發(fā)生熱濕耦合傳遞現(xiàn)象：在此過(guò)程中，織物系統(tǒng)中的熱量?jī)?yōu)先通過(guò)線圈串套區(qū)域向外傳遞，而導(dǎo)熱系數(shù)較小的靜止空氣會(huì)延緩熱量的損失；汗液蒸發(fā)的一部分會(huì)被紗線吸收，直至紗線達(dá)到吸濕飽和，水分才能通過(guò)紗線路徑向外界空氣轉(zhuǎn)移，而其余的水分可通過(guò)靜止空氣組分向外界擴(kuò)散且速度較快。

b）當(dāng)仿真模型達(dá)到熱濕耦合傳遞平衡后，織物系統(tǒng)的模擬熱阻、模擬濕阻的相對(duì)誤差均處于可接受范圍，證明了緯平針織物熱濕耦合仿真模型的計(jì)算有效性和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

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Simulation of heat and moisture coupling in cotton yarn weft plain knitted fabrics

DENG Zhihao，RONG Zheng，LIU Weiwei，TANG Ning，WU Weili （College of Textile Science and Engineering， Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

Abstract： The heat and moisture comfort performance of clothing is afected by many aspects，including objective factors such as the current ambient temperature，humidity，and wind speed，as well as subjective factors like human psychology.Additionally，traditional research on the heat and moisture comfort performance of fabrics mostly adopts theexperimental detection method.However，due to the complexity of the fabric structure，this method finds it dificult to replicate the heat and moisture coupling transfer effects that occur within fabrics in real environments and even more chalenging to observe heat and moisture transfer phenomena in dynamic situations.In this paper，the finite element simulation method is employed to study the heat and moisture coupling transfer process and phenomena in cotton yarn weft plain knittd fabrics when there are temperature differences and relative humidity differences between the internal and external environments of the fabric.

The research combines sophisticated thre-dimensional modeling with multi-physical field coupling simulation technology to revealthat heatwithin thefabric system preferentialytransfers through the loopedand interlocked regions，while static air components efectively delay heat loss，maintaining a comfortable temperature on the human skin surface.When moisture on the surfaceof the human skin diffuses to the outside air，itis preferentially absorbed bycotton yarn fibersuntil saturation before being transferred to theexternal environment.Therefore，the moisturediffsionrate of staticair components is relatively high.Atheoretical and experimental method is provided for an in-depth understanding of the heat and moisture coupling transfer process and phenomena within weft plain knitted fabrics.The results show that when there are temperature and humidity diferences between the internal and external environments of the fabric，the heat and moisture transferof the fabric microenvironment reaches dynamic equilibrium at t=234.0 s and t=264.0 s，respectively. When the heat and moisture coupling simulation model of the plain knited fabric reaches dynamicequilibrium in heatand moisture transfer，the average temperature of the fabric microenvironment is 28.81^°C ，with a relative humidity of 51.25% . The comparison between the simulated thermal resistance of the fabric system and experimental data shows an error of 2.3% ，and the comparison error for simulated moisture resistance is 4.2% . These findings validate the effectiveness of the heat and moisture coupling simulation model for plain knited fabricsand confirmthe high accuracyand good fitof the finiteelement simulation method.

By applying finite element simulation technology to the analysis of coupled heat and moisture transfer in fabrics，researchers canquickly obtain the efective heat transfer and moisture transfer characteristics of knitted fabrics under various environmental conditions，even with limited experimental resources.This significantly reduces experimental costs and enhances work efficiency.Furthermore，theresearch provides a theoretical foundation for exploring the optimal design of clothing materials.In the future，this method can be further extended to other types of fiber materials and fabrics with different weaves，to investigate their fective heat and moisture comfort performance under diverse environmental conditions.

Keywords：cottonyarn weft plain knited fabrics；3D geometric model;coupled heatand moisture transfer; finite element simulation technology