多孔纖維織物熱濕傳遞數(shù)值模擬的研究進展

王紅梅， 鄭振榮， 張楠楠， 張玉雙， 趙曉明，2

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

多孔纖維織物熱濕傳遞數(shù)值模擬的研究進展

王紅梅1， 鄭振榮1， 張楠楠1， 張玉雙1， 趙曉明1，2

(1. 天津工業(yè)大學 紡織學院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

熱濕傳遞數(shù)值模擬的研究可為多孔纖維織物的制備和熱濕性能評估提供理論基礎。在闡述了織物熱濕傳遞機制的基礎上，從織物熱濕傳遞數(shù)值模型、數(shù)值模擬計算方法以及織物熱濕傳遞性能測試方法3個方面，綜述了近年來關于織物熱濕傳遞方面的新進展，分析了現(xiàn)有織物傳熱傳濕數(shù)值模擬研究中存在的問題，提出在創(chuàng)建織物三維方向上的熱濕耦合模型時，要綜合考慮織物本身的交織結構特征和紗線的物理性能；在數(shù)值分析過程中要充分考慮實際應用條件下織物材料物理性能的變化，進一步優(yōu)化織物傳熱傳濕數(shù)值模型，提高模擬計算的準確度。

織物； 熱濕傳遞； 數(shù)值模擬； 熱濕耦合

近年來，多孔介質的傳熱傳質研究有了較大的發(fā)展，在許多工程技術領域都有廣泛的應用[1]，例如建筑材料的節(jié)能保溫問題，巖層的蓄熱、蓄冷過程，太陽能的蓄熱儲能，植物與土壤中的濕熱遷移現(xiàn)象，化學品的分離提純，谷物、木材和紡織品的干燥及石油熱采等[2]。由于紡織材料也是多孔介質，將多孔介質的傳熱傳質方法引入到紡織材料的傳熱傳濕過程中具有很大可行性。目前研究紡織材料傳熱性能的方法主要有實驗和數(shù)值模擬[3]。紡織材料熱防護性能的測評主要依靠物理實驗，該方法具有破壞性及不可重復性[4]?？椢餆釢駭?shù)值模擬是利用計算機軟件建模，通過數(shù)值計算的方法對織物傳熱傳濕特性進行評估。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬方法的應用范圍、規(guī)模、解題速度和精確度都有很大的進展[3]，這種方法可以代替大量的實驗，具有快速、安全環(huán)保和成本低的優(yōu)點[5]。

服裝和熱防護材料的設計均需考慮紡織材料的傳熱傳濕特性。它對于人體著裝的舒適性和紡織品的熱防護效能非常重要。纖維材料內水分的變化對纖維熱傳導的影響很大，而纖維材料內部溫度分布的變化，又會影響纖維的傳濕[6]。采用數(shù)值模擬的方法研究織物的熱濕傳遞特性，以此預測紡織材料的隔熱性能和舒適性能，從而為新型熱防護材料、服裝面料的設計和優(yōu)化提供科學的理論指導[7]。本文主要介紹了國內外多孔纖維織物的傳熱傳質方面的研究進展，并指出了今后織物熱濕數(shù)值模擬研究的發(fā)展方向。

1 織物熱濕傳遞的機制分析

傳熱是熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳播的過程，是由溫差引起的。熱量在多孔纖維織物中的傳遞方式有熱傳導、對流以及輻射3種形式[8]。

熱傳導是靜止物質內的分子、原子以及自由電子等微觀粒子的熱運動而產(chǎn)生的熱量傳遞方式[8]。

對流是多孔材料內部孔隙的流體宏觀運動而引起流體各部分之間產(chǎn)生相對位移，導致冷、熱流體相互摻混所產(chǎn)生的熱量傳遞方式。由于流體分子不規(guī)則的熱運動，熱對流必然伴隨熱傳導[8]。

物體通過發(fā)生電磁波來傳遞熱量的方式稱為輻射傳熱[8]。

在實際的傳熱過程中，這3種傳遞方式并不是單獨存在的，可以互不依靠地同時發(fā)生。由于多孔纖維織物內部的纖維之間、紗線之間或紗線中纖維之間的縫隙孔洞相對較小，一般情況下，熱傳導處于主導地位，而熱對流和熱輻射貢獻較小[9]，但在較高溫度條件下，熱輻射是不容忽視的。

從宏觀上看，多孔纖維織物為纖維與空氣的集合體，通常情況下，空氣中含有一定的水分，在傳熱過程中，也會有水分的傳遞與吸收，與傳熱同時存在并相互影響。不同纖維的吸濕能力不同，纖維的吸濕放熱會引起織物溫度的變化，同時溫度的升高又會引起水蒸氣飽和，蒸氣濃度變大，進而引起蒸發(fā)量的變化[10]?？椢锏臒釢駛鬟f是一個非獨立的動態(tài)過程，熱和濕的傳遞過程是耦合的，織物的熱阻受纖維吸濕與放濕的影響[11]。因此，多孔纖維織物內部熱傳遞過程通常包括纖維、水分、水蒸氣的熱傳遞、水蒸氣的擴散、液態(tài)水的蒸發(fā)及水蒸氣的液化等過程[12]。圖1示出多孔材料微觀結構內各相之間熱質傳遞、相變及化學反應示意圖。

多孔纖維織物結構具有多樣性和隨機性，其內部熱濕傳遞過程通常復雜多變。因此，對于不同條件下纖維材料的傳熱傳濕過程，要分別建立其熱濕傳遞數(shù)學模型進行數(shù)值模擬。

2 織物熱濕傳遞數(shù)值模擬研究進展

建立織物內熱濕傳遞數(shù)學模型，提供更為準確的計算方法，可為纖維材料的設計與評價提供理論基礎。近年來，國內外相關學者對織物熱濕傳遞數(shù)值模擬進行了廣泛深入的研究，在傳熱理論、計算方法及模擬工具等方面都有了進一步的發(fā)展。

2.1 模型的建立與分析

早在1948年，Henry[13]建立了熱濕耦合數(shù)學模型并且分析了纖維的熱濕傳遞性能。為了簡化模型，他認為纖維吸濕后體積不發(fā)生變化，且纖維與環(huán)境中的熱平衡瞬間即可完成，其模擬數(shù)值與實際結果偏差較大，因此該模型并沒有得到廣泛的應用。Neves S F等[14]認為在紡織材料熱濕傳遞過程中纖維的內部存在水分，將織物看作是一種氣固兩相的均勻介質，且纖維內的水分是不可移動的，建立沿織物厚度方向的一維傳熱模型，通過計算驗證該模型的有效性，并對模型參數(shù)進行了靈敏度分析，結果顯示纖維中保留的水分在織物熱濕傳遞過程中是不可忽略的，對其溫度和濕度的分布影響顯著。由于空氣和水分對溫度敏感，2011年Ding Dan等[15]假定織物模型中空氣和水分是溫度的函數(shù)，忽略環(huán)境條件對流傳熱、輻射傳熱的影響，且認為織物中的空氣為靜止空氣，不發(fā)生流動。假定織物在水平方向的尺度遠遠大于垂直方向的尺度，求解一維方向上溫度和水蒸氣濃度在整個織物層的分布，計算織物的熱阻和濕阻。

當相對濕度瞬變期間，熱和濕的傳遞過程是耦合的，其傳遞機制比較復雜，包括相變和多組分流體的流動。該過程中，濃度和壓力差驅動水蒸氣和空氣發(fā)生相對擴散和對流通過織物，多相(流體、纖維、氣體)熱傳導和氣體的對流，相變以多種形式出現(xiàn)，包括蒸發(fā)、冷凝、纖維吸收水分等[16]。以往關于熱濕傳遞的理論與實驗研究沒有考慮影響織物熱濕傳遞的物理因素，如纖維的吸附與解吸，自由水的冷凝與蒸發(fā)等。2007年Wang Ruomei等[17]結合熱濕傳遞過程中的物理現(xiàn)象，考慮了纖維吸附和釋放水分、自由水的冷凝和蒸發(fā)、水分的擴散和熱的傳導等[18]，并將輻射傳熱考慮在內，采用有限元體積法計算模型，模擬結果與實驗數(shù)據(jù)具有良好的一致性。2005年，F(xiàn)an Jintu等[19]結合多孔纖維織物中濕傳遞過程中相變和水分的移動，建立了熱濕傳遞數(shù)學模型，如圖2所示。

模型認為水分的移動是由水蒸氣壓力、纖維吸濕以及自由水的運動引起的。假定織物內部纖維排列是各向同性的，纖維吸濕后體積不發(fā)生變化。然而該模型熱和濕的傳遞僅限于一維方向，并且忽略了多孔纖維織物液態(tài)水的毛細效應，為了改進模型，2009年Mao Aihua 和 Li Yi[20]根據(jù)纖維沿縱向和橫向通過芯吸(見圖3)和吸濕進行濕傳遞，并且結合與傳熱傳濕相關的基本物理定律如傅里葉定律(傳熱)、菲克第一定律(傳濕)、達西定律(液態(tài)水傳遞)等提出建立一個可測量的參數(shù)化模型?？刂品匠蘙20]為

水蒸氣的質量守恒方程：

能量守恒方程：

(ωaλv+ωlλl)εfΓf-λlgΓlg

液態(tài)水的質量守恒方程：

式中：Ca為纖維孔隙內水蒸氣濃度，kg/m3；εa為水蒸氣體積分數(shù)；εl為液態(tài)水體積分數(shù)；εf為纖維的體積分數(shù)；Da紡織材料內水蒸氣擴散系數(shù)，m/s；Dl紡織材料中液態(tài)水的擴散系數(shù)，m/s；τl、τa分別為紡織材料液態(tài)水擴散的有效彎曲通道和水蒸氣擴散的有效彎曲通道；ωa、ωl分別為纖維表面吸附的汽態(tài)水和液態(tài)水的含量；Γlg，Γf分別為液態(tài)水/水蒸氣的蒸發(fā)/凝結速率和水分的有效吸附速率；cv為紡織材料的體積比熱容，J/(m3·K)；FL(R)分別為控制單元內織物左側到右側傳遞的總的熱輻射，W/m2；λlg為蒸發(fā)/凝結傳質系數(shù)，m/s；λv為纖維吸附/解吸水蒸氣所產(chǎn)生的熱量，kJ/kg；，λl為纖維吸附/解吸液態(tài)水所產(chǎn)生的熱量，kJ/kg；ρl液態(tài)水的密度，kg/m3。

該模型能夠模擬液態(tài)水沿多維方向擴散的熱濕傳遞過程，可用于智能服裝或者功能材料的設計。

2007年Li Yongbao等[21]研究了纖維層的孔隙度和透氣性對傳熱傳濕的影響，在不同織物的參數(shù)和邊界條件下，引入有限元體積法計算織物中溫度、凝結水和水分濃度的分布?？椢锸抢w維的集合體，纖維與纖維之間、紗線與紗線之間、紗線與紗線在空間的幾何分布使得織物內部的孔隙結構比較復雜。以上模型考慮了傳熱及水氣的蒸發(fā)、擴散、凝結，未考慮紡織品的結構特征、孔隙率、孔隙的形態(tài)對熱濕傳遞的影響[22]，不能反映熱濕傳遞的本質。程建新[23]將水蒸氣和空氣在織物內視為一維流體，建立“平行圓柱孔”孔隙形態(tài)結構特征的織物熱濕傳遞方程，采用有限差分法對穩(wěn)態(tài)模型進行求解，其數(shù)值模擬結果與實驗結果吻合程度良好。以往的織物傳熱，將織物內部看成纖維與孔隙均勻混合體或者簡單地將纖維與空氣平行排列，無法準確了解織物內部的溫度分布。Jaganathan S等[24]將大多數(shù)纖維材料的內部結構分為3類(見圖4)，即：單向結構，所有圓柱形纖維的纖維軸互相平行排列；分層結構，圓柱形纖維的纖維軸在垂直于熱流方向的平面內隨機排列；三維各向同性結構，纖維軸沿任意方向隨機排列。Arambakam R等[25]在此基礎上利用數(shù)值模擬的方法研究不同微觀結構纖維的有效熱導率。但是該模型只適用于熱傳遞過程中熱傳導占主要地位的情況，不適用高溫條件傳熱(考慮輻射傳熱)和卷曲纖維材料以及多組分纖維材料，而且這是針對非織材料傳熱的模擬，模型求解過程中不考慮織物結構相的影響。

范堅等[26]建立了織物單元結構二維傳熱的數(shù)值模型，可模擬在熱量從人體皮膚通過織物過程中溫度的分布規(guī)律，并且比較了平紋/斜紋織物的傳熱。然而該模型并沒有考慮輻射和對流傳熱、濕傳遞以及熱濕耦合的影響。為了更全面地描述織物中各種傳熱、傳濕過程，高瑞霞等[27]從織物的結構分析，綜合考慮了織物內的導熱、對流、輻射與相變等現(xiàn)象，同時考慮了熱與濕的相互耦合作用，建立了平紋機織物單元結構熱濕傳遞的數(shù)值模型，研究在熱濕從人體皮膚通過織物傳遞過程中任意時刻的熱流量和濕流量在織物內部的傳遞規(guī)律。但是模型中織物的幾何結構比較簡單，沒有考慮織物的物理參數(shù)、織物的毛細效應、厚度變化以及高溫條件下面料的熱分解對傳熱傳濕的影響。

2.2 數(shù)值模擬計算

在傳熱領域中，求解導熱問題的方法有分析解法、近似分析解法和數(shù)值解法等。數(shù)值解法可求解幾何形狀不規(guī)則，邊界條件復雜或呈非線性的導熱問題[28]。多孔纖維織物的熱濕微分方程的計算一般采用數(shù)值解法，常用的數(shù)值解法是有限單元法、有限體積法、有限差分法以及控制體積-時間域遞歸算法[29]。 基于熱濕耦合模型，對有效、可行的數(shù)值求解方法進行探索。Hang X D等[30]提出一種離散的半隱式有限元體積法來研究多孔織物的熱濕傳遞。徐定華等[31]提出熱濕耦合的強非線性方程組，首先對該方程組解耦，然后通過有限差分和數(shù)值積分法把原方程離散為一個多元非線性方程組，選用牛頓迭代法求解，從而計算出織物內部的溫度分布、水蒸氣質量通量和水蒸氣壓力的分布，數(shù)值結果與實驗數(shù)據(jù)吻合，從而說明了算法的有效性和可行性。為了計算不同環(huán)境條件下溫度、水蒸汽濃度、水分含量在不同織物中的分布，Xu Dinghua等[29]提出一種無條件穩(wěn)定隱式迭代算法求解非線性偏微分方程。程建新[23]將耦合方程組的解耦與有限差分算法相結合，將方程離散轉化為顯式差分方程，求得模型的解。

隨著優(yōu)化數(shù)值計算方法的不斷進步，以及各種計算軟件的應用，數(shù)值模擬計算的速度和準確度都得到了很大的提高。以采用計算軟件Matlab語言編程求解數(shù)學模型為例，根據(jù)求得數(shù)值解，可繪出織物內溫度、濕度隨時間變化的分布圖。除此之外，ANSYS軟件，由于建模簡單、求解快速，能實現(xiàn)多場及多場耦合功能，成為應用最廣泛的有限元分析軟件之一。

3 織物熱濕傳遞性能測試方法

數(shù)值模擬方法為解決復雜的傳熱傳濕分析計算提供了有效的途徑，但其關鍵點是與實際的符合程度，常用實驗的方法對數(shù)值模擬的有效性進行驗證。目前，織物傳熱傳濕性能的主要測試方法有：織物微氣候測試儀、熱防護性能儀(TPP)、暖體假人、燃燒假人、微型CT掃描儀等。

織物微氣候儀能夠快速測量皮膚、空氣層、織物以及與外界環(huán)境溫濕度的動態(tài)變化。劉麗英[32]建立的數(shù)值模型研究了滌、棉織物微小氣候內動態(tài)溫濕度的分布，利用微小氣候測量系統(tǒng)測量織物的微小氣候空間內溫濕度的變化來驗證模型。熱防護性能儀是將織物樣品放置在熱流量可控的模擬火場，通過織物后面的熱流傳感器測量皮膚達到二度燒傷所需的時間，用該條件下TPP值來評價織物的熱防護性能。暖體假人是模擬人體與環(huán)境之間熱濕交換的儀器，可以用來測量服裝的蒸發(fā)阻抗和評價其熱濕傳遞性能。Lu Yehu等[33]基于出汗暖體假人研究了出汗率對于服裝真實的蒸發(fā)阻抗的影響。燃燒假人實驗是以燃燒假人作為人體的替身，通過假人表面的熱流傳感器進行數(shù)據(jù)采集，從而分析評價防火服的整體熱防護性能。燃燒假人系統(tǒng)可以作為火災環(huán)境下服裝傳熱數(shù)值模擬的一種有效的驗證和優(yōu)化手段。盧業(yè)虎等[34]基于燃燒假人測試系統(tǒng)，研發(fā)了新型的織物高溫液體飛濺物防護性能測試儀，分析了高溫液體環(huán)境下織物的熱濕傳遞規(guī)律。Song等[35]基于燃燒假人，采用有限差分法實現(xiàn)了閃火環(huán)境中防護服裝與人體皮膚傳熱過程的模擬。微型CT是利用X射線通過對物體內部的斷層掃描，對材料內部結構和物質成分進行分析研究。Watanabe等[36]利用CT掃描儀對木材的干燥過程進行了動態(tài)成像研究，獲得了內部含水率的分布。吳迪等[37]利用CT成像、結構重構及灰度值分析技術研究了多孔介質內加熱產(chǎn)生的氣液相變濕分遷移特性。

4 結論及展望

近年來，織物熱濕傳遞數(shù)值模擬取得了較大的進展。從簡單的一維穩(wěn)態(tài)熱濕傳遞模型發(fā)展到基于織物結構參數(shù)并結合流體相變的熱濕耦合模型。模型求解方法也得到了很大的進步，數(shù)值模擬計算的速度和準確度都得到了很大的提高。

為了減小計算量，以往研究常常簡化模型(如將織物看作勻質平板)，考慮的邊界條件、織物的形態(tài)和性能都比較理想化，計算結果與真實情況還有一定的偏差。目前建立的織物熱濕耦合模型大多數(shù)是從微元的基礎上建立模型，初步考慮到織物本身的物理性能(纖維種類、熱導率、水汽擴散系數(shù))和結構特征(織物結構相、紗線、單層/多層、紗線與紗線的孔隙結構等)對傳熱傳濕的影響，在今后的研究中應深入研究多孔纖維織物的熱濕傳遞機制，建立完善的織物傳熱傳濕數(shù)值模型將成為傳熱領域研究的重點。以往著重于研究一維條件下單層織物的熱濕傳遞，探索多層織物和復雜結構的織物在三維方向的熱濕耦合機制及模型，還存在著較多困難，有待進一步深入研究。此外，不同的織物在傳熱傳濕的過程中，吸濕后體積會發(fā)生膨脹，高溫情況下也會有一定程度的收縮。因此，根據(jù)研究的纖維種類和應用環(huán)境，今后應進一步優(yōu)化織物傳熱傳濕模型與提高計算的精度。

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Research progress of numerical simulation on heat and moisture transfer in porous textiles

WANG Hongmei1, ZHENG Zhenrong1, ZHANG Nannan1, ZHANG Yushuang1, ZHAO Xiaoming1，2

(1. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Research of numerical simulation of heat and moisture transfer can provide theoretical foundation for the preparation and heat-moisture properties evaluation of porous textiles. Based on the heat and moisture transfer mechanism, new progress of the heat and moisture transfer through fabrics was summarized in terms of heat and moisture transfer models, numerical simulation methods and test methods of fabric heat-moisture transport properties, and the problems existing in the numerical simulation of heat and moisture transfer in fabric were analyzed. Taking into consideration interweave structure characteristics of fabric and the physical properties of the yarn was proposed when coupled heat and moisture transfer model established in three-dimensionl. In addition, the change of material physical properties depending on practical application conditions was considered in the process of numerical analysis, heat and moisture transfer numerical model of fabric need further optimize and the improvement of the accuracy.

fabric; heat and moisture transfer; numerical simulation; heat and moisture coupling

10.13475/j.fzxb.20150907007

2015-09-28

2016-07-04

國家自然科學基金項目(51206122)；天津科委自然科學基金項目(13JCQNJC03000)；中國紡織工業(yè)聯(lián)合會項目(2012002)

王紅梅(1989—)，女，碩士生。主要研究方向為熱防護紡織品的開發(fā)。鄭振榮，通信作者，E-mail：tianjinzhengzr @163.com。

TS 101.3

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