方偲穎,郝習(xí)波

（常熟理工學(xué)院 紡織服裝與設(shè)計學(xué)院,江蘇 蘇州 215000）

服裝是人們生產(chǎn)、生活中常用的物品。隨著紡織技術(shù)的發(fā)展，人們對服裝品質(zhì)的要求也愈來愈高，穿著保暖顯得極為重要，紡織品熱舒適性研究具有重要意義。然而，紡織品結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，很難對其傳熱機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)、全面的描述。由于熱量交換本身帶有較強(qiáng)的不確定性和不穩(wěn)定性，傳熱過程中的具體數(shù)據(jù)難以通過實(shí)驗(yàn)測量。通過有限元軟件，可以快且準(zhǔn)地計算模型內(nèi)部溫度，可以較直觀地呈現(xiàn)織物內(nèi)部溫度分布，從而比較各種結(jié)構(gòu)因素對織物的影響。伴隨著仿真模擬研究的不斷進(jìn)步發(fā)展，利用有限元方法越來越普及，建立有效、接近實(shí)際織物的三維物理模型，可以大大簡化對服裝傳熱機(jī)理的研究過程。

吳茜利用有限元軟件模擬研究，發(fā)現(xiàn)面料結(jié)構(gòu)、經(jīng)緯紗密度等會影響織物傳熱[1]。張倩等通過建立涂層碳纖維織物模型，研究了纖維種類對傳熱過程的影響[2]。韓晨晨通過建立碳纖維織物模型，分析了織物背面的溫度分布[3]。張倩等建立了碳纖維織物的數(shù)值模型，并模擬其傳熱過程[4]。陳揚(yáng)等通過建立有限元模型,分析了熱通量通過織物時的熱傳遞情況[5]。張衛(wèi)剛通過建立織物與手指的三維模型，分析了織物厚度與織物接觸冷感的關(guān)系[6]。曹榮平利用有限元方法分析機(jī)織建筑膜材料單軸向雙軸向拉伸的力學(xué)性能[7]。張容等通過建立有限元模型，預(yù)測了自潤滑織物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度[8]。栗碩利用有限元方法，設(shè)計搭建三維織機(jī)，揭示了復(fù)合材料損傷機(jī)理及綁紗的作用[9]。王修艷等通過有限元建模，探究空氣層結(jié)構(gòu)對織物傳熱的影響[10]。綜合前述，部分模型仍有缺陷：關(guān)于空氣層厚度與織物傳熱的關(guān)系的研究較少，織物模型與實(shí)際實(shí)物存在差異。紡織品熱舒適性的重要程度毋庸贅述。研究此熱點(diǎn)，對于構(gòu)建資源節(jié)約型社會，降低生產(chǎn)成本，改善紡織品服用質(zhì)量，促進(jìn)我國紡織更加智能化、現(xiàn)代化，有著重要意義。

使用多物理場仿真軟件Comsol Multiphysics 進(jìn)行建模求解。通過建立織物的三維表達(dá)式，進(jìn)而建立目標(biāo)織物的單元組織模型，最終分析平紋織物的具體結(jié)構(gòu)。利用有限元軟件對構(gòu)建的“織物—空氣層”模型進(jìn)行模擬傳熱和分析，探究不同空氣層厚度下織物的傳熱效果，研究織物內(nèi)部傳熱機(jī)理。本文結(jié)論可為研究織物內(nèi)部傳熱提供參考。

1 傳熱基本理論

熱量有三種傳遞方式：輻射、對流、傳導(dǎo)。熱傳遞遵循能量守恒定律，傳熱過程中的溫度變化幅度很小，所以忽略熱輻射的影響。本模型假設(shè)空氣處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此空氣的對流傳熱也可以忽略。本模型基于傅里葉傳熱方程，對織物與靜態(tài)空氣組成的計算域進(jìn)行傳熱分析[11]:

公式（1）的符號含義見表1。

表1 公式符號及含義

2 模型構(gòu)建

2.1 織物模型的建立

本模型的研究對象為平紋棉織物，織物的經(jīng)緯密度皆為143 根/10cm，織物厚度為0.21cm。在織物三維模型的建立中，紗線截面要近似橢圓，將紗線看作是曲度變化相同，并且材料屬性均勻一致的同質(zhì)材料，即每根紗線的經(jīng)緯度變化相同，每根紗線的截面形狀也完全相同，認(rèn)為最小組成單元是紗線。紗線截面橢圓的長軸長度為0.05cm,短軸長度為0.03cm。創(chuàng)建平紋織物具體步驟為如下3 步。

第1 步是建立紗線的橢圓橫截面，如圖1 所示。導(dǎo)入紗線的軌跡方程，軌跡方程的端點(diǎn)為橢圓橫截面的圓心，在此基礎(chǔ)上畫出單根紗線的軌跡曲線，如圖2 所示。

圖1 紗線橢圓橫截面

圖2 紗線軌跡曲線

第2 步是以軌跡曲線為路徑對橢圓截面進(jìn)行掃掠，畫出單根紗線的三維模型，如圖3 所示。

圖3 單根紗線模型

第3 步是在建立的單根紗線的基礎(chǔ)上，通過復(fù)制、矩陣、反轉(zhuǎn)、平移等功能建立織物三維模型圖，如圖4所示。

圖4 織物模型

2.2 計算域與邊界條件

模型的計算域由兩部分構(gòu)成：紗線部分與空氣部分，如圖5 所示。計算域的長和寬皆為0.42cm。本文所講織物的表面與模型底邊界的距離定義為衣下空氣層的厚度，研究中分別使用了1mm、2mm 以及3mm 三種衣下空氣層厚度，對應(yīng)的模型的高度分別為0.276 cm、0.286cm 以及0.296cm。模型上部邊界與織物的距離為0.1cm。本模型中，假設(shè)空氣為靜止?fàn)顟B(tài)。模型的上下邊界，溫度分別為0℃和35℃；模型的四個側(cè)邊界定義為對稱邊界。

圖5 模型計算域

2.3 材料屬性設(shè)置

本模型的計算中涉及到2 種材料：空氣與紗線。兩種材料的比熱容、密度與導(dǎo)熱系數(shù)見表2[12]。

表2 空氣與棉紗的物理參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 織物的熱傳遞機(jī)理

熱量可以在衣下空氣層、織物上下以及表面織物內(nèi)部進(jìn)行傳遞，熱量由皮膚轉(zhuǎn)移給空氣層，并通過空氣層轉(zhuǎn)移給織物，如圖6 所示。圖7 所示為在上下邊界存在溫度差的情況下，計算域中織物的溫度分布情況，空氣部分的溫度從高溫側(cè)向低溫側(cè)呈均勻變化，紗線截面的溫度與空氣的溫度分布出現(xiàn)明顯差異。這是由于紗線與空氣之間熱物理參數(shù)的差異造成的。

圖6 仿真模型溫度分布云圖

從圖7 中可以看出織物兩側(cè)溫度存在明顯差異?？椢飪?nèi)部在進(jìn)行傳熱時，由于熱量是從接近皮膚的一側(cè)傳遞給朝向外界環(huán)境的一側(cè)，即從模型邊界溫度高的一側(cè)傳遞給溫度低的一側(cè)，因此織物兩側(cè)存在溫度差。

圖7 織物上下表面溫度云圖

3.2 空氣層厚度對傳熱過程的影響

織物在實(shí)際穿著期間并非緊貼皮膚，織物和皮膚之間以及織物與織物之間存在著一定厚度的空氣層，空氣層的厚度是影響傳熱效果的重要因素，因?yàn)殪o止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常低。本模型研究三種不同空氣層厚度對織物傳熱的影響，分別為1mm、2mm、3mm。在一定溫度差的情況下，通過模型上下邊界的單位面積的熱量越多，則代表織物與空氣所構(gòu)成的服裝系統(tǒng)的保暖性越強(qiáng)。單位時間內(nèi)在單位面積上傳遞的熱量，可以用熱通量（W/m2）來表示。圖8 所示為不同空氣層厚度的情況下，計算域的熱通量。隨著衣下空氣層厚度的增加，計算域上下邊界的熱通量隨之下降。說明在服裝厚度不變的情況下，增加衣下空氣層厚度可以提高服裝的保暖性。

圖8 空氣層厚度熱通量對比圖

4 結(jié)語

基于有限元建模和數(shù)值模擬，探討了不同空氣層厚度對織物傳熱的具體影響。結(jié)果表明：織物與空氣層的溫度分布存在明顯差異，這是由于二者之間的物理參數(shù)差異造成的；由于上下邊界的溫度差異，織物兩側(cè)存在溫度差；織物厚度不變的情況下，增加衣下靜止空氣層厚度可以提高服裝的保暖性。