（纺织工程专业论文）织物参数与结构对服装热湿舒适性影响规律的研究.pdf

论文题目：玺堑叁数量缝拉挝坦整装热湿缸重性髭喧趣往啦班塞 红丛王猩专业研究生盎整缝 指导教师里嗑杰 摘要 本文回顾了服装热湿舒适性研究的历史，鉴于目前尚没有一种模型能够综 合考虑服装层热湿传递过程中所涉及的各种物理现象，建立了一种新的热湿 传递机理模型。该模型以织物基本几何结构单元为研究对象，结合织物由纱 线和纱线问空气组成这一特性，根据质量守恒、能量守恒及动量守恒定律， 并充分考虑热湿传递过程中的相变、吸湿、解吸等现象，建立起能够合理反 映纱线及纱线佃j 空气温度场，湿分浓度场变化规律的机制模型。利用双坐标 系统和第四类边界条件对纱线和纱线间空气的热湿传递过程进行了分析、模 拟。 作者将所建立的数学模型采用完全隐式差分方法进行三维离散，用 m a t l a b 语言编制了数值求解程序，对织物层的热湿传递过程进行模拟分析。 通过模拟分析，可以获得在各种着装状态下，织物内部任一位置、任一时 刻的热湿分布等规律，这些结果通过实验是无法获取的；模拟研究还表明， 不同组织结构织物的热湿传递与纱线的弯曲形状有关，由此可以预测复杂组 织结构织物的热湿分布。 关键词：机理模型 热湿传递 织物模拟分机 a b s t r a c t b a s e do ht h eg e n e r a ir e v i e wo ft h er e s e a r c hm e t h o da n dh i s t o r yo ft h e h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rt h r o u g hc l o t h i n g ，an e wt h e o r e t i c a lm o d e lt h a t c o u l db e u s e di od e r i v et h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ea n d 血o i s t u r ei u f a b r i c si sp r o p o s e di nt h i st h e s i s t h ec l a s s i c a lc o n s e r v a t i o nt h e o r i e so fm a s s ， e n e r g ya n dm o m e n t u ma r ec o m b i n e dw i t ht h eg e o m e t r i c a l ，p h y s i c a lf e a t u r e s o ff i b e r s ，y a r n s ，a n df a b r i c si no r d e rt og e tt h em a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o n so f t h et r a n s p o r tp h e n o m e n ai nav o l u m eu n i t i n c l u d i n gp h a s e - c h a n g e ， a b s o r p t i o na n dd e s o r p t i o np r o c e s se t c f o rf a b r i cw i t hd i f f e r e n tc o n s t r u c t i o n s i nt h i sp a p e rt h em a t h e m a t i c a lm o d e li st h r e e - d i m e n s i o nd i s c r e t e db y m e a n so ft h ei m p l i c i td i f f e r e n c em e t h o d t h ec o m p u t e rp r o g r a mt os i m u l a t e t h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rt h r o u g hf a b r i c sh a sb e e n d e s i g n e d i n m a t l a b w eh a v eu s e dt h i sm o d e lt o a n a l y s i st h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r t h r o u g ht h ey a r na n da i rb e t w e e nt h ey a r n s a tt h ep o i n tt h e yc r o s s ，w eu s ea s p e c i a lm e t h o dt oa n a l y s i st h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r w ea n a l y s i st h e h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rp r o c e s st h r o u g hd i f f e r e n tf a b r i c t h r o u g ht h e a n a l y s i s ，w ec o n c l u d e dt h a tt h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri si n f l u e n c e db y t h es h a p eo ft h ey a r n k e y w o r d s ：t h e o r e t i c a lm o d e l f a b r i cc o n s t r u c t i o n h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r s i m u l a t i n ga n a l y s i s g r a d u a t e ：z h e n gl i a n f e n g d i r e c t e db y ：p r o f e s s o rt i a nx i a o l i a n g 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 随着国民生活水平的提高，对服装的要求也越来越高反映织物服用性能的舒适 性尤其显著。广义的服装舒适性包括了服装材料的保暖性、透湿性、电学性能、防 噪声性以及外观的美学性能如悬垂性、抗折皱性、款式等多种因素。舒适性受多种 因素的影响，如：气温、湿度、太阳辐射强度、风速、人体活动水平等外在因素及 服装热阻、湿阻、透汽性等内在因素。狭义的服装舒适性指人体、服装和环境之间 生物热力学的综合平衡，包括满意的热平衡和 ! i i ：平衡。服装层处在人体与外界环 境之问，在两者之间的热湿交换中起重要的调节作用。 舒适性的研究主要是对服装热传递和湿传递的研究，当前在对纺织品及服装的 热渝舒适性研究中，生理学方法一致性差，不可靠：而心理学方法的主观性决定了 只能作为客观方法的补充和检验，所以，物理方法始终是国内外学者研究的重点。 对织物和服装的舒适性研究已经有了几十年的历史，但目前的研究仍主要集中 在新的指标体系的建立和新的实验方法和装置上，如：动念热湿比、服装透湿指数 i m 、相对散热效能指数等指标和微气候仪，模拟出汗暖体假人，人造皮肤，人工气 候箱等实验手段。根据这些实验手段获取相关的数据和指标，进行理论上的定性分 析。也有部分学者对织物动态热湿传递机理分别从传热、透湿、透汽角度进行研究， 以建立数学模型。但日前尚没有一种模型能够综合考虑服装层在各种边界条件及初 始条件下发生的热湿传递过程中所涉及的各种物理现象，如：各类传热现象、各类 传质现象、各类动量传递现象及胀缩现象。所以，不能充分反映热湿传递的本质。 若采取传统的方法获得织物的舒适性，即生产出成品以后进行穿着实验或物理 测试则是浪费人力物力和时问的，也跟习i 上科技的发展。本课题将在d “人研究的基 础t - ，对纵物层的热湿传递模型作更进步的研究。前位研究生假没织物是纱线 这多孔介质和纱线i h j 空气的集台而进行了机理研究和模拟分机，是在两个界面l 研究织物的热湍性能，但是还有1 ：完善的地方，因为织物结构的变化会凶改变了织 物内空气层的尺寸向产生热湿阻的变化，往本文的研究【 _ 1 ，我们将以小i 组钐i , x - 构 的纵物为考察对象，结合织物l “纱线这一多孔介质和纱线州空7 t 及纱线【胎r 维构成 这特件，揪拭i ：质照) 。陋、能鞋守恒及动量：r 恒定律，对传热、传质( 液棚、气棚) 现象进 j ：数学分析并充分考虑热湿传递过程1 1 】的桐变、吸：= ! i d 、解析等作j f j 建立 起能够合胖反映织物- p 纱线一钐：物温度场、温分浓度场变化舭律的机制模型为人 体一服装蚪境返服装系统热澍舒适性仿真研究奠定壮础。 第一章绪论 第二节织物热湿传递性能建模研究动态 计算机技术的飞速发展，使得复杂的传热传质理论中偏微分方程的求解和对实 际热质传递过程的模拟成为可能，也给服装热湿舒适性的研究丌辟了广阔的前景。 不少学者也开始以数学模型描写服装热湿传递过程作为研究的重点，结合人体、环 境及服装这一有机系统以完整的模拟这一过程。 h e n r y 。1 于1 9 3 9 年提出并于1 9 4 8 年完善了一个描述热湿向原棉包扩散的微分方 程系统，其中两个方程关于质量和能量守恒，为了简化，他作了大量的假设，假设 纤维含湿量与织物的湿度和周围的水分线性相关，且纤维的湿分瞬时与周围环境达 到平衡。他把蒸汽浓度梯度作为湿分传递的驱动力，将相交过程应用与含湿多孔介 质内输运现象的分析，结合传热和传质，是服装热质传递模型的基础。 n o r d o n 和d a vid 。”1 9 6 7 年为了建立羊毛纤维的二阶吸着过程的模型，在对h e n r y 关于纤维湿份瞬时与周围环境达到热湿平衡提出了质疑的基础上，提出了反映纤维 的含湿量与环境相对湿度之问动态关系的经验型第三式，利用计算机和给定内外边 界条件和初始条件求解。首次得到了织物内湿份浓度与温度的时空关系。但是他们 忽略了纤维的吸湿机理，认定吸着率为常数，并认定纤维的含水率的变化率与空气 和纤维的相对湿度的绝对差值之问存在一个指数关系。 y l i 和b v h o l c o m b e ”1 9 9 2 年提出了热湿耦合二阶段吸附模型，第一阶段 是扩散系数随浓度变化的符合斐克定律的扩散。第二阶段扩散速度减慢且随纤维的 结构丽变化，只能用经验公式，精度比前人有大的提高。y f 。i 和z h o n g x u a nl u o ”1 改进了浚模型，把浚瞬态过程用三维图来表征。但其第三式仍是经验公式，无明确 的物理意义。没有考虑纤维和纱线的胀缩对热质传递的影响，以及总压梯度f 气流 的整体移动及毛细水的影响。 d c o n g a i t o n “1 ( 英国) 1 9 9 9 年对防水透气织物的防水透气性和保暖性进行了定 性分析。x r e n 永lj e r u c k m a n 则通过理论分析和试验得出了防水透气性织物 的水蒸气传递速率随其表面液滴数量的增加而增加，除非在非等温条件f 织物表面 的液滴数量超过一限值。 1 - n i s h i m u m i ( h 本) 于2 0 0 0 年提出了一个对织物的湿份传递特性进行数值模 拟的由两个长方形组成的二维模型。虽然此模型关j 纤维与空气交界处假设一哲浓 嫂成1 l ：比过于二简巾，h 未考虑胀缩，但其结粜叫定性地分析问题。 1 f in n 和s a g a r “( 英国) j 二2 0 0 0 年探h 了温度列防水透气性织物湿气传递 r _ 1 的影响，然而没有从机理j 二分析巾i 建奇：模型。 李红霞等、j 。2 0 0 0t f ! 对针钐 物热湿舒通性能作了r 仿真研究，泣晕试验的琏础上 第一章绪论 的回归分析。 李创等。1 于2 0 0 1 年采用一种新型的织物热湿性能测定仪测定了微气候区的温室 度性能变化曲线，并说明了潜汗、显汗状态下对织物回潮率和透湿性的不同要求。 w z h o n g 和x d i n g ( 中困) 2 0 0 1 年在纤维束液态吸水的模型与分析中，假设纤 维分子和水分子及水分子之间的相互作用主要为范德华力计算纤维束和液态水之自j 的粘附力和水本身的吸附力，表面张力，按其对系统能量的作用考虑在内。为了测 、试模型的有效性，试验检测了一系列具有相同纱支但纤维细度不同的聚丙长丝纱线。 计算机模拟也描述了纤维束吸水高度和时问的关系，试验和模拟结果是一致的。 r e n em r o s s i 3 等人于2 0 0 4 年设计了一种装置来测定温度与质流扩散速率的关 系和温度与服装渝阻的关系，提出随着温度的升高，服装湿阻降低，并且认为当环 境温度大于2 0 时，织物内的凝结可以忽略。 上述模型都是建立在微观基础上的，即以一根纤维的特性去推理整个织物的传 输特性，这必然限制它们的应用。研究表明，即使空隙率相同，出于空隙的形状不 同，即组织结构不同，结构的热性能也是不同的，微观特性不能完全代表整体。因 此有必要对织物的热湿传递特性进行宏观研究。为此，李凤志、李毅等“1 于2 0 0 3 年 对织物的热渌传递机理模型作了更进一步的研究并对建立了更为合理的织物热湿传 输模型，但是该模型没有充分考虑纱线胀缩模型，对模型考虑不够全面。 山以上分析可知，该领域的研究f 走向深化，在对本课题的研究中，我们以各 种不同织物结构的织物为研究对象，考虑纱线的弯曲及交织现象，确定各个因素之 m 的数学关系，建立模型。 第三节主要研究内容和解决的问题 、鉴于服装热湿模拟研究尚没有较为完善的理论模型和较为系统的模拟方法， 特选定“纵物参数与结构对服装热湿舒适性影响规律的研究”为课题，主要研究以 卜内容： i 、 织物具有的多孔介质特性和纱线为纤维柬集合的特点为出发点，建立 能够反映织物层及纱线内备种热湿传递现象的较完善的模型，根据能 量、质量及动量j 】。陋的定律，对纤维纱线织物三绒结构做数学描写。 2 、 对所建立的模型离敝化分析后利用计算机求解，通过得到棚关物理量 的瞬念关系图水模拟织物的热泓传递过程，并探讨模型的基本特征及 其特性参数埘该现象的影l i 向。 ：；、 埘l ：同组织结构彭! 物的热渐传递特性进 r 模拟，得到七f | 笑物理嚣的瞬 态走系i 割。 第一章绪论 二、要解决的主要问题： 1 、纤维基本热质传递特性的分析； 2 、纤维成纱、纱线织成织物后结构形式的分析，纱线传递特性的确定，纱 线弯曲后参数的变化分析，将模型建立在三维空间中，以使更符合实际； 3 、依据多孔介质传热传质理论建立织物内部各种热质输运机理模型； 4 、根据已知吸附与解吸特性实验数据。确定纱线及织物的吸附与解吸特性： 5 、织物中纱线、空气层边界条件依据数值传热学进行合理的处理： 6 、利用数值计算方法，求解所建数学模型。 三、本论文创新之处 本文在前人所建模型的基础上，对反映纱线热湿传递现象的模型作了进一步的 改动： 1 、本论文充分利用纺织材料的吸附一解附特性，并且是利用等温特性试验法结 合数学模型获取吸附一等温特性。 2 、对织物中纱线的届曲形态进一步分析，以在模型中充分考虑纱线形状对织物 层热湿传递特性的影晌； 3 、采用双坐标系统分析纱线和纱线自j 空气的热湿传递，对纱线问空气模型和纱 线模型的边界有了新的计算： 4 、对各种组织结构织物的热湿传递现象进行了数值模拟： 5 、本论文将为最终利用计算机直接仿真分析纺织品实际应用时表现出的热质传 递特性及纺织品热质输运的动念理论研究及实际过程的动态分析奠定理论基础。 第二章织物层热湿传递物理模型 第二章织物层热湿传递物理模型 第一节织物屡热湿传递特性对人体舒适性的影响 为了适应气候的变化，人体会自动产生一种生理性的调节机能“”来调节体温和 皮肤温。但是这个体温调节机能有一定的局限性，一般体温变动的最低界线为2 6 2 9 ，最高界线为4 2 ( 2 。一般人每天水分散失0 5 - 1 9 k g 。把温度和湿度结合起来， 高温时湿度低一些也会觉得爽快，低温时湿度大些也会好受些，这就形成如图2 - 1 所示的快感带”“。 图2 一l 快感带 众所周知，服装介于人体与外界环境之问，作为人体与外界环境热湿传递的介 质，直接影响两者之问的热质交换，以调节人体热量和湿份的散失过程，从而弥补 人体有限的热量和湿份调节能力。织物层的作用就是在人体和环境之问形成一微小 气候，使人体在变化无常的外界环境中始终处于舒适的温湿度环境中。 人体所产生的热鞋和湿分在服装中的输运现象是相互关联、相! i 制约的，不仅 受外界环境中的温度、湿度、空气流速、服装种类与热湿性能等因素影响，而| i = l 与 人体不同的活动状态也商接相关。 图2 2 表示人体、微小气候、服装和环境的相对几何位置。t l l 图叫以石：人 人体 微小 气候 可 环 境 矧22 人体、微小气候、服装和环境 第二章织物层热湿传递物理模科 体产生的热量与湿分首先通过微小气候，然后经服装层( 织物层) 传向外部环境。 ( 图2 - 3 a ) 表示通过织物与皮肤间所形成的微小气候及织物层，人体皮肤与环 境之间所发生的复杂的热质传递现象1 ，( 图2 3 b ) 表示了从皮肤到织物层的热湿传 递规律： 图2 3 ( a ) 微气候区图2 - 3 ( b ) 热湿传递示意图 影响人体舒适感的因素众多，如气温、湿度、太阳辐射强度、j x l 速、人体活动 水平等外在因素及服装热阻、湿阻、透汽性等内在因素。概括起来如图2 - 4 所示”3 1 ： 厶佳餐适蹙 l 一 厶佳叁数鳢尘氢堡挂丝珏撞窆塾 活动水平、生理状态温度、相对湿度温度、湿度、气流速度 心理状态透气性、热湿阻辐射强度 十 服装 十 厂 服装设计参数 t r 率、纵物层数 服装舒通量 t 织物参i 化学性质( 纤维类型 物理性质( 织物厚度 阱2 4 影响测素分析阁 第二章织物层熟温传递物理模型 总之，服装除了满足人们对服装美观、蔽体的要求外，对人体的舒适性有非常 大的影响，是人体抵御外界环境侵害的屏障。人体、微小气候、服装、外界环境形 成的人体舒适系统使人体始终处于舒适的情况下，作为此系统中对舒适性影响较大 的介质，服装( 通常是织物) 层的透湿透热性能是影响人体舒适性的最主要的因素。 透彻地研究织物层的热湿传递规律对于整个服装舒适性的研究具有基础性的作 用，故本文主要研究织物层的热湿传递规律。 第二节织物三层多孔介质结构的分析 根据传热传质理论，介质的结构特点对于介质的热湿传递过程有很大的影响， 所以对于人体舒适系统的重要介质织物层的结构特点要仔细分析。 织物层的结构很特殊，是一种具有三重结构的多孔介质，本节将对其进行分析。 一、由于织物内孔洞缝隙对于织物层的热湿传递现象具有极为重要的影响，现对其 进行分析与描述。 织物内孔洞缝隙大体可按两个方面进行基本类别的划分。按孔洞是否通透可分 为贯通孔洞和非贯通孔洞两种，前者可以较为顺利的进行湿传导，后者较为困难。 而按孔洞横向尺寸则基本可区分为三个层次。 l 、纤维内的空腔( 如棉、麻的中腔，粗纤维的毛髓，中空纤维的中腔等) 及各 类原纤( 基原纤、微原纤、原纤、巨原纤) 之间的空洞缝隙等。前者尺寸较 大( 横向尺寸0 0 5 - 0 6 微米) ，相当一部分是非贯通性的；后者横向尺寸较 小( 卜1 0 0 纳米) ，基本上属于贯通性的。 2 、纱线内纤维间的缝隙孔洞。它们的横向尺寸一般在0 2 - 2 0 0 微米间，大部分 在1 - 6 0 微米，基本上是贯通性的孔洞。 3 、织物内纱线间缝隙孔洞的尺寸分布：一般在0 1 毫米左右。 织物中7 l 洞虽然种类繁多，形态各异，但仍有一定的共同特征：大多为贯通性 孔洞，截面形态大多为多边形。根据空隙率的基本定义，由于织物孔洞的多层次性， 空隙率也应分层次计算。当然，也有一些织物，如起毛缩绒的粗梳毛织物、毡、纤 维直接成网的非织造布，其结构缺乏纱线这一层次，可视织物为均匀多孑l 介质，大 大简化了计算。 通过对织物层三层多孔介质结构的分析，得出结论：纤维的性质对织物的热湿 传递过程有重要影响。织物结构决定热湿在织物层的传递通道。在常温常湿条件下， 水蒸汽在织物层中的的传递主要沿纱问空隙循最短通道传递，液态水主要由芯吸作 第二章织物层热湿传递物理模型 用沿纱线内纤维问的毛细通道传递。且根据文献闻。”知，纱自j 空隙热湿的平衡速度 远大于纱线内的热湿平衡速度。 二、织物层具有的特殊的三重多孔介质特性，现以图2 3 来加以说明： 筮王世魔红缝结翅 丝线缝捡 l 一 堡翅丝压( 垫显佳堡丝篚2 上 盟装置适性 图2 - 5 三重多孔介质分析 图2 - 5 描述纤维、纱线和织物结构、性质对织物层舒适性的影响关系。 j 三、织物层三重多孔介质的特点 1 、第一重多孔介质一织物 以机织物为例，据p i e r c e 织物结构模型”，基本几何单元如图2 6 所示： 一一+ + 睁秣心蚤 划26 织物结构模型 以平纹攮本儿何币元为例奠俯眦 刳及侧视立体图，如图( 27 ) 所示。m i 纠( 27 ) 对本汁算单兀的热湿传递通道进仃分目；。 弋 - l 图2 7 基本几何单元图 把织物置于热湿流场中，热湿流由高势砥流入。通过空气和纱线的组合体流到 低势面。气态流体传输时可能按最短通道途径穿透。液态水在纱中传输基本通道按 阻力最小通道前进。空气通道主要是由织物中纱线交织构成的网眼所形成的直流通 道；热湿流由纱线表面传入纱线后，主要沿纤维、纱线的轴向传递，有一小部分沿 纱线、纤维的径向传到低势面。下面对结构较复杂的平纹的基本孔模型进行传递通 道分析： ( 1 ) 沿纱线( 纤维) 的径向传递。径向传递长度为( d j + d ) 和( d + d 。) 的通道分 别有两条。 。 ( 2 ) 主要沿纱线( 纤维) 轴向传递。轴向传递长度为粤+ ，+ 粤和等+ + 誓分 别有两条。 ( 3 ) 经过织物中由纱线交织形成的孔眼。空眼面积s = ( ，一d 。) ( ，。一d ，) 。 当经纬纱交织构成织物时，经纬纱在织物中呈屈曲状态，织物中经纬纱线的屈 曲程度可由经纬纱的屈曲波赢h 。、h 。”水表示。织物的结构特征一般可以用纵物结 构相来描述，织物结构相指的足经纱届曲波高与纬纱屈曲波高的比值。织物巾经纬 纱届曲波高受许多因素( 如纱线的细度、捻度、初始模量等) 的影响。 2 、第二重多孔介质纱线 ( 1 ) 纱线几何结构 纱线由纤维纺成，内部f ：w 避免的存在大量的空隙，尤其是短纤纱和变形长丝 纱，而空隙中又不“r 避免的充满着守气和水蒸气。山理想结构图( 见圈27 ) 州知， 组成纱线的纤维也是i t 虾qj i 救l 1 j 的，热湿沿纱线轴向传递阻力略小，咖狰向| ； i ，j 稍夫。在般情况卜纱线吸湿时”f 看作赴一种山纤维、空气和液念水组成的类 似毛细管多孔体的禽渐多扎介质。， 劈h 第二章织物层热湿传递物理模型 图2 - 8 各种纱线形态图 图2 _ 8 中两列分别为无捻长丝纱、有捻长丝纱、高膨体纱、弹力长丝纱；粗梳 棉纱、精梳棉纱、粗梳毛纱、精梳毛纱嘲。 纤维在纱线中的排列形态很复杂，是一种随机现象，受多种因素的影响，如纤 维本身的细度、长度、初始模量、表面粗糙度等，当然也受纺纱工艺( 环锭纱、自 由端纱、自捻纱、喷气纱、包芯纱、变形纱等) 的影响。 韩国y o u h u h 等人在通过对短纤纱线中示踪纤维的全息摄影研究也说明了纤维 在纱线中的这种随机分布。如图2 - 9 所示： 图2 - 9 纱线内部纤维结构 ( 2 ) 纱线导热过程 纱线中存在空气和水分，纱线中静止空气的导热系数最小，纤维次之，水分的 导热系数最大。热在纱线中的传导，不止包括纤维自身的热传导，也有热的对流和 辐射。 ( 3 ) 纱线中湿份传递 霍利斯嘲通过实验得出结论：液相水在织物中的传递主要依赖于毛细效应。由 于织物中液相水的传递速率与构成这些织物的纱线中液相水的传递速率基本一致， 所以说织物中液相水的传递主要是由纱线内纤维问所形成的毛细效应决定的。液相 水在毛细管中的输运速度主要是由纱线内纤维的分布决定的，而不是由纤维材料本 身的特性决定的纱线中纤维问空洞的形态多种多样。其截面的基本形状可描述为 带尖角的多边形。气态流体传输时可能按最短通道途径穿透。液态水在纱中传输基 本通道按阻力最小通道前进f 如图2 - 1 0 3 ，此时通道长度将大于织物厚度，而且气态 第二章织物层热湿传递物理模型 水和液态水的传输通道长度将不同。 妻氡囊 图2 - 1 0 湿传输分析图 3 、第三重多孔介质一纤维结构嘲 纺织纤维由分子堆砌而成，由于数量大，称之为大分子。纤维中大分子排列由 两个参数来描述，即纤维的结晶度与取向度，取向度指的是大分子排歹| 方向与纤维 轴向符合的程度，结晶度指的是纤维中结晶区的体积占纤维总体积的百分数，两者 都影响纤维的导湿导热。由于纤维的微观结构不同，不同种类、不同品种的纺织纤 维，甚至同种品种的纺织纤维、经过不同加工处理，都会表现出热湿性能上的差别。 ( 1 ) 纤维的导热现象： 纤维是由长链有机大分子在一定程度上取向排列而成的，纤维凭借格波( 声子) 传热时，沿分子链的传播声子散射少。故热流在其中的传递有明显的各向异性，纤 维的径向热阻大于轴向热阻。单纤沿轴向的导热系数比沿径向的导热系数大近十倍， 比静止空气的导热系数大约6 - 7 倍伽。 ( 2 ) 纤维的吸湿现象： 当纤维暴露在大气中时，由分子问的力即色散作用、定向作用和诱导作用引起， 会在自己的表面( 包括内表面) 吸附一定量的水汽和其他气体，以降低表面能。纤 维吸湿是比较复杂的物理化学现象。关于纤维材料吸湿机理的研究嘲嘲，已有5 0 多 年的历史，不少入提出了很多看法，如棉的两相理论，羊毛的三相理论溶解理论 等。综合说来，有如下几点：纤维内部的第一批水分子必须由亲水基团直接吸收， 以后被吸收的水分子，则是有所选择的，它们可能为其他亲水基团所吸引，也可能 重叠在已被吸收的水分子上。直接吸收的水分子是亲水基团与水分子形成的水合物， 它们的结合力比较大，水分子失去热运动的能力，在纤维内部依存下来，所产生的 吸湿热也比较大。已被吸附的水分子，由于本身也具有极性，故也可吸附其他水分 子，使后来被吸附的水分子积聚在上面，称为间接吸收的分子。这些水分子排列不 定，结合力也比较弱，吸着热也比较小，存在于纤维内部的微小间隙中称为微毛细 第二章织物层热湿传递物理模型 水，当湿度很高时，这些间接吸收的水分可以填充到纤维内部较大的间隙中成为大 毛细水，大毛细水的结合力除氢键引力以外还包括范德华力，表面张力等，所以结 合力更小。 纤维间接吸收的水分子对其物理机械性质的影响很大。纤维的比表面积越大， 吸湿性越大。表面吸附对纺织材料吸湿性的影响，还反映在纤维集合体内的毛细水， 当相对湿度大于9 9 或浸入水中时，纤维问的毛细水大量形成，为了与纤维内部微 小间隙中的毛细水加以区别可称之为粘着水，纤维平行取向保持水分较多，纤维间 相互压紧，空隙缩小，会提高水的保持量。 四、影响热湿传递的因素 通过对织物层三层多孔介质结构的分析，得出以下因素对织物热湿传递有影 响： 1 、 纤维的性质对织物的热湿传递过程有重要影响； 2 、 织物结构决定热湿在织物层的传递通道： 3 、 常温常湿条件下，水蒸汽在织物层中的的传递主要沿纱间空隙循最短通道传 递，液态水主要由芯吸作用沿纱线内纤维间的毛细通道传递； 4 、 纱线间空隙热湿的平衡速度远大于纱线内的热湿平衡速度。 第三节织物层输运现象分析 纺织材料具有吸附水的能力，当织物层处于湿环境中，作为多孔介质的织物层 会吸收水分就成为了含湿多孔介质。水分与固体骨架的结合形式直接影响着含湿多 孔介质内部的各种输运现象，含湿多孔介质内的水分主要分为化学结合水、理化结 合水( 包括吸附结合水和渗透压保持水两类) 、物理机械结合水( 又分为大毛细水和 微毛细水) 三类。不同类型的结合水具有不同的脱水机制，例如：吸附结合水总是 先转化为蒸汽，而后以蒸汽形式在物料内移动；渗透压保持水主要以液态靠扩散通 过细胞壁在物料内移动；毛细管水则依赖于外界条件，既以液体形式( 靠毛细管力) 、 又以蒸汽形式( 靠浓度差) 移动。而织物这种复杂的三层多孔介质一般都具有以上 三类结合水形式，其内部的各种输运现象也必然受之影响。 织物层内部在传热传湿过程中发生着许多复杂的现象，其中包括纱线固钵骨架 结构内孔隙中各种流体发生的种种现象及纤维在吸湿和解吸过程中发生的许多复杂 的现象，还包括纱线间空隙的种种输运现象。概括如图2 一ll 所示： 第二章织物层热邂传递物理模型 织物 纱线 f 热胀冷缩现象 纤维固体骨架1 吸湿与解吸发生胀缩 r 非凝性气体与水蒸气互扩散 r 气利总压作用引起气相总体移动 j。水蒸气凝结与吸附 孔隙流体ir 毛细管势作用下的移动 液相 重力作用下的移动 l 液态水蒸发与解吸现象 ，非凝性气体与水蒸气互扩散 f 气相 总压作用引起气相总体移动 纱线问孔隙il 水蒸气凝结与吸附 ， 毛细管势作用下的移动 液相i 重力作用下的移动 l 液态水蒸发与解吸现象 图2 - 1 1 织物内传输现象图 上述输运现象实质上是发生着质量的迁移与力的传递，即发生着质量传递和动 量传递现象。由于质量传递和动量传递离不丌能量传递，因而纱线在吸附和解吸过 程中必然伴随着能量输运现象。当纱线以对流方式与外界发生吸附或解吸现象时， 这种能量输运形式主要表现为热量传递，具体传热方式如图2 一1 2 所示。 纱线内部传热方式 导热( 矧、气、液内部) 辐射( 三相之间、纤维表面之间) 对流( 空隙内流体的移动) 相变产热( 水的蒸发与凝结现象) 图21 2 纱线内部传热方式 总之，织物内部发4 二的各种吸附、输运现象是十h 联系、瓦柏制约的，爱想i 确地模拟分析复杂的织物层传热传质过程，必须从质量、动量、能量：i 。匾定律 隽乏 把各利j 吸附、输运现象订机地联系起隶。 第二章织物层热湿传递物理模鼎 为此，作者将试图把传热传质理论与织物所具有的多层多孔介质特性结合起 来，在前人研究成果的基础上，以织物层为考察对象，依据表征性体积单元的概念， 应用连续介质的分析方法，从质量守恒、能量守恒及动量守恒等基本定律出发，并 充分考虑织物层热湿传递过程中的相变t 吸湿、解吸等作用，建立起反映织物层温 度场、湿分浓度场变化规律的机制模型，为人体和服装之间的热湿舒适性在不同穿 着状态下的定量分析及其评价体系的确立奠定基础。 第三章织物层热湿传递数学模型的建立 第一节基本假设条件 为了在建立模型的过程中能够着重考虑主要影响因素，本文忽略了一些次要因 素，假设以下： 1 、织物内各局部区域固、气、液三相处于热力学平衡状态且气悉物质满足理想 气体状态方程。 2 、纤维吸放湿的胀缩过程只发生几何尺寸大小变化，其形状保持不变。 3 、不考虑纱线在交织过程中的压扁和毛羽现象对热湿传递的影响。 4 、纱线内流体流动时产生的压缩功和粘性耗散可忽略不计，纱线内流体流动符 合d a r c y 定律。 本章将依掘上述假设条件。建立能反映织物层热温传递的数学模型。由于纱线 间隙中的空气对纱线的热湿传递存在很大的影响，本文首先根据质量守恒、动量守 恒、能量守恒建立了反映纱线f b j 空隙热湿传递的数学模型。然后推导纱线胀缩数学 模型，根据获得的纱线内胀缩质流的数学表达式和由胀缩现象引起的纤维、纱线，l 何参数的变化情况，分析纱线内湿分分布、温度分布的数学模型，并绘出其定解条 件。另外，还将对该模型中参数的确定方法进行分析。 第二节纱线问空隙数学模型的建立 一、 质量：恒方程的建立 在流场中取一个微元控制体血、妙、z ( 正交坐标系) ，根据蒸汽、于空气二 元扩散的质量二i 。瞳定律呵知： 控制体内水焦汽的+ 拎制体流出的：控制体内水蒸汽的( 3 一1 ) 质量积累率水蒸汽净通量质量生成率 水蒸汽流入控刹体的通量伪： 。妙止十月。缸止+ ”二舨妙 ( 3 2 ) 控制体内水蒸汽质量积累率：挈血缈地 ( ：h ) a f 水蕉汽流挎制佛f j 通链为： n v x + h a y a e + n v y + a v a x a z + n 。 k a x a y 单位时问内控制体中水蒸汽的生成率为：r , a x a y a z ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 代入守恒式( 3 1 ) ，以l x a y a z 除各项，并取缸j 缈、止趋于零时的极限 、冬+ 冬+ 孕+ 娑_ ：0 ( 3 - 6 )、 缸加出a f 写为矢量形式：讲沥，+ 娑一：0( 3 7 ) 在有主体流动的条件下。水蒸汽相对于固定坐标的净通量等于该组元的分子扩 散通量与该组元随主体运动的对流扩散通量之和： 开，= 一p d 。v c o 。+ p ，旷 ( 3 8 ) 将( 3 - 8 ) 代入( 3 - 7 ) 式得水蒸汽、千空气二元扩散系中水蒸汽质扩散方程： d v ( 风旷) 一d i v ( p d 。g r a d 6 0 ，) + 娑一：0 ( 3 9 ) 二、 运动方程的建立 根据粘性流体力学中纳维尔一斯托克斯( n a v i e rs t o c k e s ) 方程，应用于微元控 制体，可得： p 祟：一芸十昙以罢+ 罢) 】 p 瓦2 矿一万十瓦l ( 瓦+ 瓦 + 弘考专脚例+ 珈笔+ p 尝：应一罢+ 吴m 粤+ 娑) 】 p 瓦2 皿一瓦+ 瓦m i + 瓦) j + 烈0 ( i 巩l , + 祟) 】+ 昙脚祟一 脚v v l ( wc 0 z0 z0 zj 骼州域欠鞋形式得： ( 3 1 1 ) ( 31 2 ) 吣 吲 ，洳籼孤一c毽知一如抵瓤警争 抛咖 i l 以 坐所争 p 尝= 矿一v p m 2 小】一詈肭矿 其中：【】_ l 一 2 l 2 上( 塑+ 堡) 2 、砂缸 们 砂 ! 出+ 堡1 2 、却瑟7 ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) 公式中尝表示对于时间的全导数，如：妾= 害+ 甜罢枷熹+ w 鲁 若纱线间空气由于温度差造成密度差，由浮升力引起自然对流运动，运动方程 可作相应改变。仅考虑作用于纱线问空气上的质量力( 作用于控制体内每一个质点 上，常见质量力有：重力、离心力、哥氏力、电磁力等) 中的重力，即：f = 庸， 其中季为重力加速度矢量。 由于温差在单位体积上造成的浮升力为( p p 。) 雷，p 。是离物体较远处的流体 密度。当纱线i 日j 空气处于静止状念时，压力和重力相平衡，将压力分解为两部分， 有：v j d = v r + v p = p 。蜃+ v p ( 3 - 1 5 ) 只是流体中的静力学压强。设是流体的体积膨胀系数，根据热力学理论可知 剥 二理想气体： 一吉c 瓤= 亭( 3 - 1 6 ， 考f g 到山于温度差引起纱线问空气密度的变化，r 玎将密度表示为： p = p 。( 1 一厕t ) ( 3 17 ) ! j ! j 浮= 7 = f 力可表不为： ( p p 。) 喜= 一p 。p ( t 一7 。) 季 ( 31 8 ) “j 穿过织物的宅气流速，f i 舂高时，忽略纱线州宅7 i 的压缩性，! i ! f 褂： ) ) 跏一西却一出 量矿塑如 ( ( 。孓 却一c毽却一缸塑锄誓少：o|l。抛一钞加一瑟 p 警一- 一凡胛一l ) 喜一咿十v 嘶【占】 ( 3 _ 1 9 ) 三、能量守恒方程 根据热力学第一定律对纱线间空隙所取的微元控带, 1 1 5 进行能量平衡关系分析。 流体的能量e 由其内能u 和动能竿两部分组成即：鼢半。经 过微元控制体的六个分界面流入流出能量的总和应等于该容积中流体能量的变化 率。 ( 警蚕薯掣竺坚入) 一( 竺蚕警掣竺孝出) ：( 微元控制体 ) ( 3 - 2 0 ) 的能量净通量的能量净通量 存储能量的增量 根据能量守恒定律，得到能量方程： p 罢一姗一p d i 肌。 其中中为能量耗散函数，表示作用在控制体表面上的法应力和剪应力因流体位 移而摩擦作功转变成的热能。 q b = - 詈( 咖盯 + 以妻，! + z c 考，：+ z c 警，! + c 面o u + 罢，z + c 老+ 面o w ) 2 十c 謇+ 面o w ) 2 】。2 对于低速流动，能量耗散函数与其它各项相比甚小也可略去不计。由于水蒸 汽凝结时会放出大量热量，以内热源q ，的形式进行处理。则得能量方程式的温度表 达式： 鲁一咖m 玑+ p c d _ u ! ，_ e 咙) 由于受到纱线的束缚，纱线恻夺隙的流体与纱线接触丽发生热湿交换，所以 征遵循上述摹本定律的基础上还受刮边界条件的影响。纱线与纱线问空气的热湿交 换必然会影响纱线及纱线蚓空气的温湿度，对于t p - j u n 】空气的模型，把可能接收的 纱线传递的热量以内热源q 、的形式进行处理，修正能餐方程式的温度表达式： 肛罟一撕吼+ 筹 喇， 箍三童继物层热湿佳递熬堂拱型啦建立 第三节纱线数学模型 3 - 3 - 1 胀缩数学模型 纺织材料作为多孔介质，具有吸附水的能力，在吸附时会发生膨胀现象，而在 解吸时会发生收缩现象，这种胀缩现象会影响多孔介质的内输运过程，本小节要建 、立纱线的胀缩数学模型。 一、吸湿性对纺织材料的影响 实践证明，纤维材料的含湿量随所处的环境条件而变化，具有一定回潮率的纤 维，放到一个新的环境条件下，它将立刻放湿或吸湿，经过一定时间后，它的回潮 率逐渐趋向于一个稳定的值，这种现象称为吸湿平衡，所达到的回潮率称为平衡回 潮率。所以纺织材料的重量，实际上都是一定回潮率下的重量。 纤维吸湿后，长度和横截面积都发生膨胀，而且这种膨胀表现了明显的各向异 性1 。纤维吸湿后在长度方向的膨胀很小，而在直径方向膨胀很多，只有锦纶的截 面膨胀小是一例外。吸湿对纤维密度的影响，开始时是随着回潮率的增大而密度上 升，以后又下降。纤维吸澡膨胀，使纱线的直径变粗，织物中纱线的弯曲程度增大， 同时相互挤紧，使织物在径向或纬向比吸湿前需要占用较长的纱线，其结果是使织 物收缩。 而对于纱线来说，纱线的几何、物理和机械性质，是由组成纱线的纤维的性质 和成纱结构决定的。捻度是影响纱线结构的最重要的因素。当采用不同的纺纱系统 时( 精梳毛纺系统与根纺毛纺系统) ，由于纱线中纤维排列的紧密程度不同，纱线的 体积重量也不同。应该特别指出，不同种类纤维组成的纱线，即使用同一纺纱加工 系统，纱线的体积重量也有很大的差异。纱线的紧密系数k 是纱线截面纤维的聚集 情况的直接表现形式。对于特定的纤维种类及纱线捻度，在同+ 纺纱系统叫】k ，接近 常数。纱线的体秘重量j ，与纤维密度p 。之删的关系式为：4 = k ，p ， 在文献中有儿种典型情况卜k 。的数值。 一胀缩模型的建立 l 、纤维的胀缩数学模型 对1 1 不舍泓分的纤维，墩：表征性体积单元a v “，显然a v “山固体甘裂羊i i - ；疑 性气体两种不同相物质组成。假定该表征单元吸收了a 圪体积量的水分，现在来考 查该表征单元的总体积a v 的表达式。如果假设水分与固体骨架及非凝性气体物质 互不干扰。吸附过程只是机械堆积过程，则有： a v a v 。+ 屹 ( 3 - 2 4 ) 然而，实际过程决非如此简单，一方面液态湿分有可能排挤气相物质而占据气 、相物质的空间，另一方面，湿分在吸附过程中由于受固相骨架作用而产生密度变化 及自身体积的变化，因此，式( 3 - 2 4 ) 应变化为： a v a v 4 + a a v ( 3 2 5 ) 其中口为体积修正因子。若用纤维干基含湿量z 即其回潮率缈代替式( 3 - 2 5 ) 中的 k ，则可得： a v t a v 。( 1 + p x ) 审：一a p 。| p 。 ( 3 - 2 6 ) 这里口称为湿分胀缩因子，是反映纤维吸、放湿后体积变化规律的一个重要物 理量。由于胀缩过程的复杂性，声是由试验来确定的一个参数，该参数有时是回潮 率缈的函数。 若假定干纤维的密度为并忽略由热胀冷缩现象所引起的干燥纤维体积变 化，则含湿纤维密度可表示为： 驴芳= 锱= 筹 此时其同相物质密度为： 驴等= 研p ? 丽a v d = 岳z ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) 从上式可以看出，只要已知p ；、卢的值，任一回潮率下纤维的固相物质密度便 可简单地确定出来。 有了纤维中固相物质密度p ，的表达式后，根据固相物质的质量守恒方程便可获 一 一一匀毫：茔 终物醒热漫佳递数堂拦型啦建立 得纤维的胀缩方程式。依据欧拉分析法，选用相对参考坐标系固定的控制体作为研 究对象，由固相物质质量守恒关系有： 娑：一d v 2 ，( 3 2 9 ) 其中：了，= n 口 ( 3 3 0 ) 将式( 3 - 2 8 ) 及式( 3 3 0 ) 代入方程( 3 2 9 ) 可得： 眦m p 1 = 埘惴- 仔 由于近似为常数，方程( 3 - 3 1 ) 进一步简化为： 瓦0 而1 卜v 去 s z ， 这便是纤维的胀缩数学模型。 2 、胀缩质流l ，： 织物内的纤维和纱线发生胀缩现象时，不仅有固体骨架的形变，其内部结合水 液态湿分而也随固体骨架发生相应的位移，这样，对相对坐标系固定的控制体 而言，液相成分z ，有一个胀缩质流了。，其数学表达式如下，也就是织物的胀缩质 流模型： j = j 。z l = p 。u z | ( 3 - 3 3 ) 3 - 3 2 纱线湿分分布数学模型 纱线内的质量、动量传递过程较为缓慢，根掘第一宵的第一条假设条件，纱线 内部局部区域的同、气、液可视为处于热力学平衡状念，即埘纱线局部的流体流动 现象扳准静态柬处理，j 遵循的动量。叵规律可简化为o a r c y 定律的彤式： 描述各种流体在含煨多孔介质所占比例的方法目前主要由j 种：卜毕法湿 占泣及饱干度力法。湿基法及饱和度方法都有缺 ，m 琏法的缺点为湿基量本身是 7 蹙化的，饱干发力。法的缺点为没订反映出吲梢物质o