機織物中液態(tài)水傳輸?shù)臄?shù)值模擬

胡倩倩 劉讓同 李 亮 劉淑萍 李淑靜

（中原工學(xué)院，河南鄭州，451191）

人類作為恒溫生命體通過出汗來降溫和散熱，而服裝作為人體的第二皮膚，具有良好的吸濕快干能力非常重要，特別是當(dāng)穿著者大量出汗或被雨水等外部液體完全浸濕時，即使是最好的水分管理織物也會被浸濕乃至飽和，變得不可吸收、沉重和黏人，顯著降低穿著者的舒適度［1］。影響服裝濕舒適性的因素包括透水性、吸濕性、透氣性和快干性等，其中，吸濕快干性能是影響織物濕舒適性的一個重要方面［2］。因此提高織物的吸濕快干性能顯得尤為重要，國內(nèi)外很多學(xué)者對此進行了研究。在研究方法上數(shù)值模擬研究越來越熱，通過建模和物理場數(shù)值模擬研究織物水傳輸?shù)膶W(xué)者也越來越多，AGRAWAL Prashant 等人對織物上滴漬的形成進行了試驗和數(shù)值研究，并用達(dá)西定律通過滲吸試驗測量機織物的滲吸特性［3］；ALI M A 等人通過非破壞性試驗獲得三維正交織物在不同壓實度下的X 射線顯微計算機斷層掃描圖像來生成3D 模型，使用流體動力學(xué)控制方程數(shù)值模擬求解邊界值［4］；LUO Xiaonan 等人建立了三維幾何模型，根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒、毛細(xì)現(xiàn)象推導(dǎo)了新模型，使用時域有限差分法求解偏微分方程，描述織物中熱濕傳遞的物理機制［5］；PALAKURTHI Nikhil Kumar 等人基于有限體積方法，對潤濕液體通過虛擬纖維介質(zhì)的毛細(xì)滲透進行微尺度模擬［6］；SHIH Shihhao 等人建立的模型考慮了汗液在多孔介質(zhì)中的運動、傳熱、纖維吸收和蒸發(fā)，通過CFD 軟件包ANSYS Fluent 對其進行求解，模擬人體與織物-環(huán)境耦合系統(tǒng)中熱濕傳遞 瞬 態(tài)行為［7］；POORUN Yashna 等人推導(dǎo)了一個具有隨機項的多相多組分流動模型，用于研究纖維多孔介質(zhì)中的熱濕傳遞［8］；BARAUSKAS Rimantas 等人提出了一個多層織物與人體之間水汽交換的結(jié)構(gòu)模型［9］；WU Xionghua 等人利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，針對水刺非織造布建立了預(yù)測模型進行計算機模擬［10］；WANG Z 等人通過使用多孔紡織品模型對熱濕耦合傳遞的數(shù)學(xué)模型進行分析［11］；ZHENG Yi 等人基于紗線的微觀結(jié)構(gòu)建立三層模型處理液體與紗線之間的相互作用，用于濕吸和芯吸計算［12］。總之國內(nèi)外研究者對織物液態(tài)水傳輸?shù)难芯?，要么從試驗中采集?shù)據(jù)［13-15］，要么利用理論方程間接推理［16-18］，無法直觀得到液體在織物中的傳輸距離，無法系統(tǒng)解釋織物液態(tài)水傳輸特性。為此，本研究以機織物為載體，通過研究液態(tài)水在不同浮長機織物的鋪展傳輸，分析液態(tài)水在機織物中的傳輸規(guī)律，尋找液態(tài)水在機織物中傳輸?shù)淖钣欣Y(jié)構(gòu)，探索液態(tài)水在機織物中傳輸?shù)目煽匦裕瑸槲鼭窨旄煞b面料的研究設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 仿真試驗

為了便于驗證，選用紗線捻度較大、細(xì)度相對較粗、織物密度相對較低的斜紋織物進行模擬。利用建模軟件構(gòu)建不同浮長機織物模型，仿真模擬液態(tài)水在其表面的鋪展?fàn)顟B(tài)和傳輸行為。網(wǎng)格劃分采用有限元軟件內(nèi)置的自由四面體網(wǎng)格和三角網(wǎng)格。三角網(wǎng)格最小單元為0.109 μm，最大單元為0.606 μm，最大單元增長率為1.5，曲率因子為0.6，模型紗線交錯等邊界狹窄區(qū)域分辨率為0.5 dpi，剩余自由四面體網(wǎng)格控制實體迭代次數(shù)為4，處理最大單元深度（個數(shù)）也為4。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

液態(tài)水在織物上會受到自身重力、纖維或紗線間毛細(xì)作用力、纖維黏附力的作用，三者的合力決定液態(tài)水的主傳輸方向。假設(shè)織物水平放置，如果合力以自身重力占主導(dǎo)，液態(tài)水主要沿厚度方向傳輸；如果合力以紗線間毛細(xì)作用力占主導(dǎo)，液態(tài)水主要沿織物中紗線的浮長方向傳輸，或沿垂直浮長方向（另一系統(tǒng)紗線的浮長方向）傳輸；黏附力的存在影響液態(tài)水傳輸?shù)木嚯x。為便于分析，規(guī)定正面浮長方向?qū)?yīng)y軸，垂直浮長方向?qū)?yīng)x軸，厚度方向?qū)?yīng)z軸。液態(tài)水在織物中的傳輸既有毛細(xì)作用也有擴散作用，毛細(xì)作用是織物中紗線間、纖維間的作用力，擴散作用是液態(tài)水分子熱運動運輸現(xiàn)象，是分子通過布朗運動從高濃度向低濃度區(qū)域運輸?shù)倪^程。為了準(zhǔn)確分析液態(tài)水在織物中的鋪展傳輸行為，本研究采用稀物質(zhì)擴散模型和菲克定律進行數(shù)值模擬，分析液態(tài)水在機織物上沿x、y和z向的液態(tài)水傳輸過程。

在機織物模型中添加物理場，對物質(zhì)濃度和機織物屬性進行設(shè)置，擴散系數(shù)0.16×10-12m2/s，水的初始濃度0.055 6 mol/m3，初始含水飽和度0.5，相對分子質(zhì)量18，動力黏度2.98×10-3Pa·s，機織物體積質(zhì)量998.2 g/m3，紗線排列密度44 根/10 cm。

1.2 實際測試

選用丙綸長絲進行合股加捻，捻度35捻/10 cm，紗線直徑接近0.23 cm，采用小樣機織制三上一下、五上一下和十五上一下3 種斜紋織物，經(jīng)密緯密均采用44 根/10 cm。

通過自制的液態(tài)水傳輸測試裝置利用圖像處理技術(shù)對自制試樣的液態(tài)水傳輸距離（x、y向）進行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 液態(tài)水傳輸形態(tài)分析

液態(tài)水傳輸過程中，由于毛細(xì)力作用，液態(tài)水在機織物上沿x軸或y軸方向不斷潤濕，出現(xiàn)表面小范圍的浸潤；同時由于機織物結(jié)構(gòu)間孔隙存在，液態(tài)水會隨著時間的延長沿紗線間的孔隙逐漸向z軸方向滲漏。機織物結(jié)構(gòu)的差異，使得從孔隙滲漏的水量會有所不同，沿x軸與y軸方向潤濕的材料面積也各向迥異，傳輸一直進行直至水量消耗完畢。

液態(tài)水在機織物中的傳遞主要取決于水對纖維表面的潤濕性能、纖維細(xì)度和截面形狀、紗線間距，改變纖維細(xì)度和截面形狀、紗線間距，液態(tài)水在機織物上傳輸?shù)男螒B(tài)也會隨之改變。通過多物理場仿真軟件模擬可得液態(tài)水在機織物上隨時間鋪展所形成的形態(tài)，有“單向”“十字”和“橢圓”等典型形態(tài)，如圖2 所示。其中，橢圓形和十字形如圖2（a）和圖2（b）所示，為雙向傳輸；圖2（c）則為單向傳輸。這些形態(tài)也得到實際試驗證實。

從圖2 中不難看出，液態(tài)水在浮長較小的三上一下織物上呈橢圓形鋪展，在浮長較大的十五上一下機織物上呈單向傳輸。說明材料的結(jié)構(gòu)一定程度上決定了液態(tài)水的鋪展形態(tài)，浮長越小，材料中經(jīng)緯紗線交織點越多，液態(tài)水鋪展時可同時接觸經(jīng)緯紗，有利于沿著x、y方向的雙向傳輸，但由于反面?zhèn)鬏斚鄬笥谡妫允逛佌剐螒B(tài)最終呈橢圓形；十字形應(yīng)該屬于橢圓形形態(tài)中的特例，改變紗線粗細(xì)會使液態(tài)水傳遞形態(tài)最終呈十字形，在保持紗線排列密度不變的情況下，紗線越細(xì)越不利于液態(tài)水在機織物x、y平面的鋪展，減少了液態(tài)水在經(jīng)緯紗中浸潤的交叉?zhèn)鬏敚簯B(tài)水依然雙向傳輸?shù)螒B(tài)呈十字。機織物浮長越長，液態(tài)水要傳輸?shù)椒疵娓￠L的滯后時間加大，液態(tài)水在毛細(xì)力作用下主要呈現(xiàn)出沿正面浮長方向傳輸，浮長的加大意味著另一系統(tǒng)紗線接觸到液態(tài)水的機會減少，液態(tài)水最終以浮長方向的紗線為載體鋪展，呈現(xiàn)出單向傳輸形態(tài)。

圖2 液態(tài)水在機織物中的模擬和實際傳輸形態(tài)

2.2 液態(tài)水傳輸距離分析

液態(tài)水在織物中的傳輸能力可以用傳輸距離進行衡量。當(dāng)液態(tài)水總量一定時，傳輸距離越大，表明材料對液態(tài)水的傳輸能力就越強，液態(tài)水在其中容易完成輸送；同時液態(tài)水在機織物上的傳輸沿x軸、y軸與z軸3 個方向進行，但一般會形成差異的傳輸距離，三者的傳輸距離變化曲線會形成不同的組合，或者會出現(xiàn)某一方向傳輸距離明顯大的情況。這種認(rèn)知可能會為液態(tài)水在材料中的控制傳輸提供理論指導(dǎo)。通過多物理場仿真軟件模擬可得3 類液態(tài)水傳輸距離變化曲線的組合，如圖3 所示。

圖3 中，組合1 顯示，液態(tài)水在y軸方向的傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過x、z軸方向，此類組合存在于（二上一下到六上一下）小浮長機織物中，液態(tài)水雙向傳輸，浸潤形態(tài)多呈橢圓形；組合2 表明，沿厚度方向液態(tài)水傳輸距離變化加大，傳輸距離變大，沿浮長方向傳輸?shù)淖畲笾底冃?，x軸小幅上升，此類組合出現(xiàn)在（七上一下到十一上一下）中等浮長機織物中，織物變得相對松軟；組合3 顯示，就（十二上一下到十五上一下）機織物來說，浮長足夠長，交織點少，反面浮長能夠接觸到液態(tài)水的機會少，受此影響鋪展形態(tài)呈現(xiàn)單向傳遞，由于長浮長的存在使織物變得松軟，織物孔隙易變，液態(tài)水可能出現(xiàn)直接滲漏掉下，脫離織物而不參與傳輸，從而使z軸傳輸距離變大，甚至與y軸傳輸距離相當(dāng)。

通過圖3 還可以看出，在x軸方向上，液態(tài)水傳輸距離隨時間變化較平穩(wěn)，各機織物在x軸方向最終傳輸距離范圍在8 mm 到11 mm 之間，說明織物中同一系統(tǒng)互相平行的紗線之間液態(tài)水的“跨潤”不明顯，存在一定阻力；而在沿浮長方向的y軸上，液態(tài)水傳輸距離斜率較陡，數(shù)值變化較明顯，各機織物在y軸方向最終傳輸距離范圍在18 mm 到32 mm 之間，說明改變織物的浮長對液態(tài)水的傳輸有明顯影響，可以考慮通過改變浮長來控制液態(tài)水在機織物中的傳輸。在z軸方向上，液態(tài)水傳輸距離曲線有較平緩和較陡的區(qū)段，曲線趨勢差別較大，說明織物結(jié)構(gòu)對液態(tài)水在厚度方向上的滲漏影響較大，傳輸距離大約在18 mm 到22 mm 之間不等。事實上，這個傳輸距離已經(jīng)超出織物的厚度范圍，但能說明液態(tài)水自身重量影響其在材料中的傳輸。

圖3 液態(tài)水在機織物上傳輸距離變化

通過模擬仿真試驗可以得到如圖4 和圖5 所示的液態(tài)水在各模型機織物上的傳輸行為。從圖4 的傳輸距離與浮長關(guān)系中可以看出，液態(tài)水在不同浮長織物上的傳輸行為具有相似性，同一方向的傳輸距離曲線走勢基本相同，但織物不同方向上的傳輸存在差異，沿浮長方向的傳輸距離明顯大于其他方向；織物浮長對液態(tài)水的傳輸距離有明顯影響，在短浮長時明顯存在隨著浮長的增加，液態(tài)水傳輸距離有增加的趨勢，從二上一下到四上一下斜紋織物，液態(tài)水沿浮長方向的傳輸距離是逐漸增加的，增加浮長有利于液態(tài)水的傳輸，在四上一下斜紋織物中液態(tài)水沿浮長方向的傳輸距離達(dá)到最大值（35 mm），當(dāng)浮長超過一定值時，液態(tài)水的傳輸距離隨浮長的增加而逐漸減小，最后達(dá)到穩(wěn)定，說明增加浮長并不會一直增加液態(tài)水的傳輸能力，本研究認(rèn)為浮長長度選擇在4 附近比較合理，可以為機織物中液態(tài)水傳輸控制設(shè)計提供一種參考。從圖5 的傳輸距離與時間曲線看，在浮長方向液態(tài)水傳輸距離隨著時間延長而逐漸增加，開始增加比較快，經(jīng)過一定時間的傳輸后增加減緩，最終達(dá)到穩(wěn)定的最大值；在垂直浮長方向的傳輸距離相對比較穩(wěn)定，說明浮長的增加沒有改變液態(tài)水在紗線間“跨潤”的物理條件；在厚度方向的傳輸距離基本穩(wěn)定但存在不太明顯下降趨勢，說明厚度方向以重力為驅(qū)動的液態(tài)水傳輸物理條件沒有根本性改變，另外浮長的增加可能導(dǎo)致織物的松軟和孔隙變大，液態(tài)水直接掉下脫離織物而不參加傳輸。

圖4 液態(tài)水傳輸距離與織物浮長的關(guān)系

圖5 液態(tài)水傳輸距離與傳輸時間的關(guān)系

2.3 液態(tài)水傳輸速度分析

傳輸速度也是衡量液態(tài)水在機織物中傳輸能力的重要參數(shù)。根據(jù)仿真模擬結(jié)果，繪制二上一下到十五上一下斜紋織物在x、y、z軸方向液態(tài)水的平均傳輸速度，如圖6 所示。

圖6 液態(tài)水傳輸速度

從圖6 可以看出，液態(tài)水在機織物中的傳輸速度在x軸、y軸、z軸3 個方向存在差異，其中沿浮長方向的y軸方向速度最快，曲線先上升后下降，傳輸速度先增加后減小，x軸方向和z軸方向速度慢，曲線較平緩，波動小，速度基本穩(wěn)定。圖6 中曲線表明，隨著浮長增長，沿y軸方向的傳輸速度在16 mm/s～35 mm/s 范圍變化，變化規(guī)律與傳輸距離相似，明顯與浮長有關(guān)，存在液態(tài)水最大傳輸距離的浮長；沿x軸傳輸速度變化范圍為8 mm/s～12 mm/s，變化區(qū)間不大，傳輸速度基本穩(wěn)定，浮長對x軸方向傳輸速度影響較?。谎貁軸傳輸速度變化范圍為16 mm/s～22 mm/s，短浮長時速度隨浮長增加有一定增加，在中等浮長時數(shù)值相對穩(wěn)定，在大浮長時，傳輸速度有所下降，其原因與傳輸距離變化規(guī)律的成因存在相似性。對比3 個方向可以看出，液態(tài)水的傳輸速度存在y軸≥z軸＞x軸，液態(tài)水沿浮長方向的傳輸速度最高可以達(dá)到35 mm/s；而當(dāng)浮長超過某一長度時，隨著織物浮長增加，紗線間孔隙越大，液態(tài)水沿厚度方向的傳輸越快，z軸逐漸變?yōu)橹饕獋鬏斖ǖ?，甚至出現(xiàn)滲漏，此時浮長不再是影響液態(tài)水傳輸距離和傳輸速度的主要因素。

2.4 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對照分析

通過對三上一下、五上一下和十五上一下3種斜紋織物的模擬仿真和實際測試，可以得到三者沿x軸、y軸液態(tài)水的最大傳輸距離，具體結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯?，模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本接近。其中相對誤差最小的是五上一下斜紋織物，其x向相對誤差只有8.7%，y向相對誤差9.3%，而十五上一下織物相對誤差最大，其y向達(dá)26.1%，說明本模擬方法對于模擬短浮長織物液態(tài)水的傳輸是有效的。原因可能與紗線模型及測試方法有關(guān)，實際紗線是由纖維構(gòu)成的，液態(tài)水不僅會在紗線表面?zhèn)鬏?，也會在紗線內(nèi)部傳輸，而模擬試驗建模時紗線是實心的，液態(tài)水只在紗線表面?zhèn)鬏?，顯然與實際情況存在差異；另外浮長加長可能會使織物變軟，孔隙變化較大，沿厚度方向的滲漏增加，這在模擬試驗中是無法反映的，這也可能是十五上一下織物相對誤差較大的原因。

表1 最大傳輸距離結(jié)果對照 單位：mm

3 結(jié)論

（1）機織物的浮長結(jié)構(gòu)影響液態(tài)水傳輸模式，液態(tài)水在機織物上的傳輸存在“橢圓”“十字”“單向”3 種典型形態(tài)。

（2）從傳輸距離和傳輸速度方向看，浮長方向是液態(tài)水在織物中傳輸?shù)膬?yōu)先通道，增加浮長有利于液態(tài)水在織物中的傳輸，但傳輸距離和速度不是一直增加，存在與浮長對應(yīng)的最大值。

（3）在本研究中四上一下織物擁有最大的傳輸距離和傳輸速度，有利于液態(tài)水的傳輸，這對于吸濕快干織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供一種選擇依據(jù)，控制液態(tài)水傳輸?shù)淖罴迅￠L條件選擇在4 左右。

（4）模擬結(jié)果與實測結(jié)果在傳輸距離方面具有較好的一致性，尤其適用于模擬短浮長織物液態(tài)水的傳輸。