蔡 彥，陳怡充，嚴(yán)航宇，楊允出

(1.浙江理工大學(xué) 服裝學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.浙江理工大學(xué) 國(guó)際教育學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

織物接觸冷暖感指織物與皮膚接觸時(shí)給人體皮膚的溫度刺激在人們大腦中形成的關(guān)于冷或暖的判斷[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)織物冷暖感進(jìn)行了大量研究，目前較為成熟的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法是通過(guò)KES-F7型織物冷暖感測(cè)試儀測(cè)試的織物最大瞬態(tài)熱通量qmax值[2]評(píng)價(jià)織物的接觸冷暖感。國(guó)內(nèi)在織物接觸冷暖感的研究上起步較晚，但也有了大量相關(guān)研究，張旭靖等[3]對(duì)14種內(nèi)衣織物進(jìn)行比對(duì)測(cè)試，得到織物接觸冷暖感與織物表面粗糙程度、織物含氣量以及織物厚度的關(guān)系。俞滌美等[4]開(kāi)發(fā)了一種涼爽型服用面料，并通過(guò)面料接觸冷感、熱傳導(dǎo)等指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行測(cè)評(píng)。董陳磊等[5]運(yùn)用瞬態(tài)平面熱源法對(duì)不同溫度條件下織物的熱導(dǎo)率進(jìn)行了探究。張如全等[6]基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一臺(tái)能模擬織物與人體皮膚接觸時(shí)熱交換過(guò)程的裝置，用于評(píng)價(jià)織物接觸冷暖感，實(shí)驗(yàn)證明該測(cè)試裝置具有良好的精度。資菲菲等[7]運(yùn)用反問(wèn)題方法，提出了織物動(dòng)態(tài)熱濕傳遞數(shù)值模型中單層織物孔隙率的最優(yōu)解。Tian等[8]以雙層織物為對(duì)象，探究了織物厚度、織物堆積順序和表皮結(jié)構(gòu)等變量對(duì)瞬態(tài)最大熱通量、穩(wěn)態(tài)熱通量等參數(shù)的影響。Itani等[9]在恒定熱通量下用暖體假人對(duì)降溫背心中相變材料在不同身體部位的最佳排列方式進(jìn)行了探究，確定了不同軀干節(jié)段上相變材料包的最佳布局。上述對(duì)于織物接觸冷暖感的研究，多基于實(shí)驗(yàn)儀器顯示的單一物理指標(biāo)對(duì)織物接觸冷暖感進(jìn)行評(píng)價(jià)，無(wú)法對(duì)織物與人體皮膚接觸的過(guò)程進(jìn)行表征。計(jì)算機(jī)模擬方法可通過(guò)建立幾何模型進(jìn)行仿真模擬，針對(duì)不同條件進(jìn)行相應(yīng)的模擬，為織物接觸冷暖感的預(yù)測(cè)分析提供了方向。近年來(lái)，越來(lái)越多研究者采用計(jì)算機(jī)模擬方法研究織物舒適性，包括織物接觸熱阻[10]、織物接觸人體后皮膚溫度[11]以及空氣層對(duì)多層織物傳熱的影響[12]。陳揚(yáng)等[13]運(yùn)用Ansys軟件對(duì)非穩(wěn)態(tài)條件下織物傳熱情況進(jìn)行了模擬，但均未涉及織物接觸冷暖感中的熱通量值。

本文通過(guò)有限元仿真模擬的方式，對(duì)機(jī)織物接觸冷暖感進(jìn)行探究。通過(guò)分析織物與人體皮膚接觸瞬間熱量傳導(dǎo)的情況，建立有限元仿真模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性，并運(yùn)用模型對(duì)毛羽層厚度變化及加入高熱導(dǎo)率紗線時(shí)織物與人體皮膚接觸面熱通量的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1 建立仿真模型

織物是由紗線、紗線間空氣和紗線周?chē)拿鸸餐M成的整體，內(nèi)部紗線間存在眾多孔隙，紗線的形態(tài)結(jié)構(gòu)各不相同，因此影響織物接觸冷暖感的因素眾多，本文從組成織物的紗線層面進(jìn)行探究，分析織物與人體皮膚接觸時(shí)的熱量傳導(dǎo)過(guò)程，建立有限元仿真模型，對(duì)毛羽層厚度及織物內(nèi)部紗線熱導(dǎo)率變化的條件下進(jìn)行模擬分析，探究這2種因素對(duì)織物接觸冷暖感的影響。本文以機(jī)織物為主要研究對(duì)象，選取3種平紋織物進(jìn)行仿真模擬。

1.1 建立織物幾何模型

為建立織物三維幾何模型，需要得到紗線的寬度、高度以及間距。用電子顯微鏡對(duì)織物進(jìn)行測(cè)量，得到織物內(nèi)部紗線的幾何參數(shù)見(jiàn)表1。可以看出，紗線截面形態(tài)不是規(guī)則的圓形，為保證建立的模型中紗線更加真實(shí)，將紗線截面理想化的定義為橢圓形。

表1 織物內(nèi)部紗線的幾何參數(shù) mm

運(yùn)用Texgen軟件進(jìn)行建模，對(duì)紗線的截面形態(tài)與交織規(guī)律進(jìn)行調(diào)整后導(dǎo)出模型，織物有限元模型見(jiàn)圖1?？梢钥闯?，織物內(nèi)部紗線周?chē)目紫堕g存在大量毛羽，織物三維幾何模型并不能表征出織物內(nèi)部的毛羽?？椢镏械拿鹬饕獊?lái)自于紗線，紗線毛羽主要包括2類(lèi)：生產(chǎn)過(guò)程中未被卷入紗線條干而外露的部分、生產(chǎn)過(guò)程中紗線表面附著的部分[14]。毛羽的存在會(huì)改變織物內(nèi)部空間組成，影響織物接觸冷暖感。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，本文將織物內(nèi)部毛羽與空氣層視作一個(gè)復(fù)合材料的集合體。

圖1 織物有限元模型

1.2 毛羽層等效熱導(dǎo)率模型

織物內(nèi)部的毛羽形態(tài)大小具有隨機(jī)性，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。為研究方便，假設(shè)織物內(nèi)毛羽與空氣均勻分布。等效熱導(dǎo)率可通過(guò)多相復(fù)合材料的多相層和平板式模型[15]進(jìn)行計(jì)算，分別為兩相串聯(lián)模型和兩相并聯(lián)模型。等效熱導(dǎo)率的串并聯(lián)模型見(jiàn)圖2。圖中，q為熱流量大小，W/m2；Va、V1為空氣與毛羽層的體積占比，%；d、L1、L2分別為毛羽層厚度、空氣等效寬度、毛羽等效寬度，mm。

圖2 等效熱導(dǎo)率的串并聯(lián)模型

假設(shè)織物內(nèi)部毛羽層與空氣層平行排列、所有毛羽熱導(dǎo)率值均相等、熱量傳導(dǎo)方向與2種材料的交接面平行，等同于熱導(dǎo)率串聯(lián)。等效熱導(dǎo)率的串聯(lián)計(jì)算式見(jiàn)式(1)；熱量傳導(dǎo)方向與2種材料的接觸界面垂直時(shí)，熱量會(huì)依次通過(guò)2種材料，等同于熱導(dǎo)率并聯(lián)，等效熱導(dǎo)率的串聯(lián)計(jì)算式見(jiàn)式(2)。

(1)

(2)

式中：λm為等效熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；λa為空氣熱導(dǎo)率,W/(m·℃)；λ1為毛羽熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；V1為毛羽的體積占比，%。

由等效熱導(dǎo)率的串并聯(lián)模型可得，毛羽體積占比與毛羽熱導(dǎo)率大小均為等效熱導(dǎo)率的影響因素。傳熱方向與2種材料交接面平行時(shí)，毛羽等效熱導(dǎo)率大小與其熱導(dǎo)率大小以及體積占比均呈正相關(guān)；傳熱方向與2種材料交接面垂直時(shí)，纖維熱導(dǎo)率和體積占比的增加均會(huì)使其等效熱導(dǎo)率增大。

本文假定織物中毛羽體積占比為5%，空氣的熱導(dǎo)率從Ansys workbench軟件數(shù)據(jù)庫(kù)讀取為0.024 2 W/(m·℃)，分別計(jì)算得到毛羽層集合體等效熱導(dǎo)率，等效熱導(dǎo)率串并聯(lián)模型的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 等效熱導(dǎo)率串并聯(lián)模型的計(jì)算結(jié)果 W/(m·℃)

1.3 建立有限元模型

將三維幾何模型導(dǎo)入Ansys workbench軟件，對(duì)織物進(jìn)行布爾運(yùn)算，將織物設(shè)置為整體。因建立的模型只有紗線實(shí)體，紗線間為空腔，與織物實(shí)際不相符，故在紗線模型四周創(chuàng)建厚度為0.02 mm的包圍層，用于表征織物內(nèi)部除紗線以外的空氣毛羽集合體。

建立織物模型并對(duì)織物模型中的材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)定。本文模擬織物與人體皮膚接觸瞬間織熱量傳導(dǎo)的情況，采用Steady-Thermal模塊對(duì)這一瞬間的狀態(tài)進(jìn)行模擬。結(jié)合熱通量qmax值得進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，定義織物模型上表面為與人體皮膚的接觸面，上表面溫度設(shè)定為30 ℃；定義織物模型下表面為與空氣接觸面，下表面溫度設(shè)定為20 ℃，初始環(huán)境溫度設(shè)定為20 ℃。假定織物四周邊界為絕緣體，不與周邊環(huán)境進(jìn)行熱量交換，僅在織物模型內(nèi)部進(jìn)行熱量傳導(dǎo)。

1.4 模擬預(yù)測(cè)分析

對(duì)毛羽層厚度變化以及加入高熱導(dǎo)率紗線情況下，織物與人體皮膚接觸面的熱通量變化情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析。采用3#織物的4根經(jīng)紗4根緯紗組成的平紋織物單元模型作為載體，針對(duì)毛羽層厚度以及加入高熱導(dǎo)率紗線分別制定模擬方案。

毛羽層厚度變化會(huì)使得織物內(nèi)部空氣含量增多、整體厚度發(fā)生變化，從而影響織物接觸冷暖感。為探究毛羽層厚度對(duì)織物接觸冷暖感的影響，本文只針對(duì)與皮膚接觸一側(cè)的毛羽層進(jìn)行研究，在紗線模型與人體皮膚接觸一側(cè)設(shè)置毛羽層。毛羽層厚度由0開(kāi)始以0.02 mm為1個(gè)梯度依次遞增至0.10 mm。

織物內(nèi)加入高熱導(dǎo)率紗線會(huì)影響織物等效熱導(dǎo)率及織物接觸冷暖感。由李麗[16]的研究可知，加入織物的紗線的熱導(dǎo)率可高達(dá)0.504 5 W/(m·℃)，因此模擬中熱導(dǎo)率取值從0.1 W/(m·℃)開(kāi)始以0.05 W/(m·℃)為1個(gè)梯度遞增至0.4 W/(m·℃)。

1根高熱導(dǎo)率紗線位置示意圖見(jiàn)圖3。分別在織物中4根緯紗所在的4個(gè)位置(位置1、位置2、位置3、位置4)加入1根高熱導(dǎo)率紗線，進(jìn)行模擬。完成對(duì)單根高熱導(dǎo)率紗線的模擬后，增加1根高熱導(dǎo)率紗線進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)分析，2根高熱導(dǎo)率紗線位置圖見(jiàn)圖4。

圖3 高熱導(dǎo)率紗線位置標(biāo)注圖

圖4 2根高熱導(dǎo)率紗線位置圖

2 仿真模型驗(yàn)證

2.1 有限元模擬結(jié)果

運(yùn)用Ansys workbench軟件的穩(wěn)態(tài)熱傳遞模塊進(jìn)行傳熱分析，模擬織物與人體皮膚接觸瞬間的熱量傳導(dǎo)情況?？椢锱c人體皮膚接觸面熱通量模擬結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出，熱通量值差距較大，熱通量最大值出現(xiàn)在織物交織點(diǎn)區(qū)域、最小值則出現(xiàn)在紗線間的空隙區(qū)域。在軟件中選取最大結(jié)果輸出，得到織物與人體皮膚接觸面熱通量結(jié)果為：1#織物為1 900.5 W/m2、2#織物為1 525 W/m2、3#織物為1 369.3 W/m2。

圖5 織物與人體皮膚接觸面熱通量模擬結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室(溫度(20±2) ℃，相對(duì)濕度65%±5%)中進(jìn)行。將KES-F7織物冷暖感測(cè)試儀的定溫臺(tái)Waterbox溫度設(shè)定為20 ℃，BT-Box溫度設(shè)定為30 ℃，待儀器穩(wěn)定后對(duì)3種面料分別進(jìn)行3次測(cè)試，讀取熱通量qmax值。將測(cè)試的熱通量qmax平均值與有限元模擬所提取的最大熱通量值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果的熱通量對(duì)比

從表3可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差均小于6%，吻合度較好，本文建立的有限元仿真模型可用于評(píng)價(jià)織物接觸冷暖感。

3 預(yù)測(cè)分析結(jié)果

3.1 織物毛羽層厚度對(duì)熱通量的影響

織物內(nèi)部普通紗線為純棉紗線，模擬織物與人體皮膚接觸瞬間熱量傳導(dǎo)情況，設(shè)置初始毛羽層參數(shù)，其中用于表征織物內(nèi)紗線周?chē)鸬陌鼑鷮雍穸扰c實(shí)驗(yàn)?zāi)M相同為0.02 mm，施加載荷并求解。毛羽層厚度變化時(shí)熱通量模擬結(jié)果見(jiàn)表4。毛羽層厚度變化時(shí)熱通量模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。

表4 毛羽層厚度變化時(shí)熱通量模擬結(jié)果

圖6 毛羽層厚度變化時(shí)熱通量模擬結(jié)果

從圖6可以看出，不同毛羽層厚度的織物與人體皮膚接觸面熱通量差別較大。熱通量隨毛羽層厚度增加逐漸減小，熱通量越小織物能帶走的熱量越少，織物接觸冷感覺(jué)越小。當(dāng)毛羽層厚度增加時(shí)，織物厚度增加，與皮膚的接觸面由紗線變?yōu)榭椢锉砻媪闵⒌拿?。隨著毛羽層厚度增大，織物與人體皮膚間間隙變大，織物整體厚度也隨之變大，導(dǎo)致織物體積變大，使得織物中紗線體積占比減小，而空氣體積占比增加，等效熱導(dǎo)率減小，則織物與人體皮膚接觸瞬間帶走的熱量減少，織物接觸冷感覺(jué)降低暖感覺(jué)增強(qiáng)。

3.2 織物嵌入高熱導(dǎo)率紗線對(duì)熱通量的影響

織物內(nèi)部普通紗線為純棉紗線，模擬織物與人體皮膚接觸瞬間熱量傳導(dǎo)情況，其中用于表征織物內(nèi)紗線周?chē)鸬陌鼑鷮雍穸扰c實(shí)驗(yàn)?zāi)M相同為0.02 mm，設(shè)置高熱導(dǎo)率紗線參數(shù)，施加載荷并求解。加入單根高熱導(dǎo)率紗線時(shí)熱通量模擬結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 加入單根高熱導(dǎo)率紗線時(shí)熱通量模擬結(jié)果 W/m2

當(dāng)高熱導(dǎo)率紗線的熱導(dǎo)率變化時(shí)，通過(guò)織物與人體皮膚接觸面的熱通量變化明顯。熱通量隨紗線熱導(dǎo)率增加逐漸增加，相比于普通純棉紗線，包含高熱導(dǎo)率紗線的織物能帶走更多熱量，織物接觸冷感覺(jué)越強(qiáng)。由表5可以看出，加入高熱導(dǎo)率紗線時(shí)，織物與人體皮膚接觸面熱通量會(huì)隨著紗線熱導(dǎo)率增大而線性增大，且熱導(dǎo)率越大熱通量變化曲線越趨于平穩(wěn)，其主要原因是加入高熱導(dǎo)率紗線使織物等效熱導(dǎo)率增大。根據(jù)等效熱導(dǎo)率的串并聯(lián)模型可得，織物等效熱導(dǎo)率會(huì)隨著高熱導(dǎo)率紗線熱導(dǎo)率增大而線性增大，熱通量值也會(huì)隨之線性增大。

將中間位置2、3的熱通量值取均值，邊緣的位置1、4熱通量值取均值，高熱導(dǎo)率紗線在織物中不同位置時(shí)的熱通量結(jié)果見(jiàn)圖7。由曲線分布可得，改變模型中高熱導(dǎo)率紗線位置時(shí)，熱通量值會(huì)發(fā)生變化。高熱導(dǎo)率紗線位于位置1和位置4時(shí)，熱通量值明顯小于位置2和位置3。主要原因是預(yù)測(cè)分析中采用4根經(jīng)紗4根緯紗組成的平紋織物，織物四周絕緣，不與外界發(fā)生熱量傳導(dǎo)，當(dāng)高熱導(dǎo)率紗線位于織物的不同位置時(shí)，其作用效果差異明顯，從而引起熱通量的差異。

圖7 高熱導(dǎo)率紗線在織物中不同位置時(shí)的熱通量結(jié)果

其他條件不變情況下，改變高熱導(dǎo)率紗線根數(shù)，由1根改變?yōu)?根，施加載荷并求解。改變高熱導(dǎo)率紗線根數(shù)時(shí)熱通量模擬結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 改變高熱導(dǎo)率紗線根數(shù)時(shí)熱通量模擬結(jié)果

從圖8可以看出，當(dāng)高熱導(dǎo)率紗線數(shù)量由1根變成2根時(shí)，通過(guò)織物與人體皮膚接觸面的熱通量值會(huì)有明顯增大。根據(jù)等效熱導(dǎo)率的串并聯(lián)模型，當(dāng)高熱導(dǎo)率紗線數(shù)量增多時(shí)，高熱導(dǎo)率紗線所占體積比增加，織物等效熱導(dǎo)率增加，織物熱通量也隨之增大，織物接觸冷感覺(jué)增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

為了探究織物接觸冷暖感，建立了三維模型，通過(guò)有限元軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)織物接觸冷暖感的仿真模擬，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。運(yùn)用模型對(duì)毛羽層厚度變化以及織物中加入高熱導(dǎo)率紗線時(shí)織物與人體皮膚接觸面的熱通量變化進(jìn)行仿真模擬，得到以下結(jié)論。

①織物毛羽層厚度增加會(huì)使得熱通量減小。毛羽層厚度增加，織物厚度也隨之增大，織物整體等效熱導(dǎo)率降低、熱通量減小，織物接觸冷感覺(jué)降低，因此增加織物表面毛羽層厚度可以有效降低織物接觸冷感覺(jué)。

②織物中加入高熱導(dǎo)率紗線時(shí)，熱通量隨著熱導(dǎo)率增大而增大，且當(dāng)熱導(dǎo)率增大時(shí)熱通量曲線增速趨緩。高熱導(dǎo)率紗線的加入使得織物等效熱導(dǎo)率上升，與人體皮膚接觸瞬間能從人體皮膚帶走更多熱量，使得織物接觸冷感覺(jué)上升。因此加入高熱導(dǎo)率紗線是提高織物冷感覺(jué)的有效方法，且高熱導(dǎo)率紗線數(shù)量越多，冷感覺(jué)提升效果越明顯。