（纺织工程专业论文）着装过程热湿舒适性的仿真研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 本文较全面地分析了前人对服装热湿舒适性的研究现状，发现服装空气层热湿 传递研究尚没有较为完善的理论模型和系统的模拟方法。服装与人体形成的微小气 候层直接与人体接触，其状态参数直接决定了人体着装的舒适性，但目前大部分学 者忽略了空气层的影响，认为服装材料是决定人体热湿舒适性的唯一因素；而有的 学者虽认识到了空气层对人体热湿舒适性产生的影响，却仅用一个固定热阻、固定 湿阻的方法来处理。本文研究证明：这些处理方法对于人体一服装一环境这一系统的 动态过程模拟是不恰当的。 本文以服装空气层( 包括微小气候) 为研究对象，应用表征性体积单元的概念， 及连续介质的分析方法，依据热量、质量、动量传递的基本规律，综合考虑服装空 气层热湿传递过程中的导热、对流、辐射、相变等现象，建立起反映服装空气层温 度场、湿分浓度场以及速度场变化规律的物理和数学模型，并对模型中的主要参数 进行了分析。 对建立的数学模型采用有限差分方法进行离散化分析，用计算机m a t l a b 语言编 制了数值计算程序，利用这一程序能够对人体的各种着装状态进行模拟分析，可获 得任一时刻空气层各网格单元节点处的温度、相对湿度、气流速度等状态参数，还 可获得这些参数随时间的变化规律。 作者用现有的已经比较成熟的理论和已有的且被广大科研工作者所认可的实验 数据来检验模型的可靠性，发现吻合较好，从而在一定程度上验证了本文提出的服 装空气层热湿传递模型。 关键词：服装空气层机理模型热湿传递 数值求解仿真分析 b a s e do nt h eg e n e r a lr e v i e wa n da n a l y s i so ft h er e s e a r c ho nt h eh e a ta n dm o i s t u r e c o m f o r ti nc l o t h i n g ，w ef i n dt h a tt h e r eh a s n tb e e nac o m p a r a t i v e l yc o m p l e t et h e o r e t i c a l m o d e la n da s y s t e m a t i cs i m u l a t i n gm e t h o d t h em i c r o e l i m a t ed i r e c t l y c o n t a c t st h e h u m a n b e i l l g s s oi t ss t a t ep a r a m e t e r sd e t e r m i n et h ec o m f o r to fh u m a nb e i n g si nc l o t h i n g a t p r e s e n t ，m o s tr e s e a r c h e r sn e g l e c tt h ee f f e c to fa i r - l a y e ra n d c o n s i d e rt h ef a b r i cm a t e r i a l a st h eo n l yf a e t o rt od e t e r m i n et h eh e a ta n dm o i s t u r ec o m f o r to fh u m a nb e i n g s a i t h o u s h s o m er e s e a r c h e r sr e c o g n i z et h ee f c to fa i r - l a y e ro nh e a ta n dm o i s t u r ec o m f o r to fh u m a n b e i n g s ，t h e yr e g a r dt h ea i r ，l a y e ra sa f i x e dh e a tr e s i s t a l i c ea n daf i x e dm o i s t u r er e s i s t a n c e o u rr e s e a r c hi l l u m i n a t e st h a tt h em e t h o dm e n t i o n e da b o v ei su n a p td u r i n gs i m u l a t i n gt h e d y n a m i c 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 si nc l o t h i n g i nt h em o d e l ，t h eg a r m e n ta i rl a y e r ( i n c l u d i n gt h em i c r o c l i m a t c ) i sr e g a r d e da st h e o b j e c t a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to f c h a r a c t e r i s t i cu n i to fv e l m e ，w ea p p l yt h ec o n t i n u a l m e d i a a p p r o a c ha n dt h eb a s i c l a w sa b o u th e a t ，m a s sa n dm o m e n t u mt r a n s f e r a tt h es a m e t i m e ，m a n yp h e n o m e n o na r et a k e ni n t oa c c o u n t ，s u c ha st h eh e a tc o n d u c t i o n ，c o n v e c t i o n ， r a d i a t i o n p h a s et r a n s f o r m a t i o na n d s oo n 耵l c nan e w p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d 。i nw h i c ht h el a w sa b o u tt h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r ef i e l d ，w e tc o n c e n t r a t i o n f i e l d ，g a sp h a s ef i e l d a n dv e l o c i t yf i e l di nt h e g a r m e n ta i rl a y e r , a r ew e l l r e f l e c t e d a c c o r d i n g l y , t h em a i np a r a m e t e r si nt h i sm o d e l a r ea n a l y s e d w jt a k ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt od i s c r e t e l ya n a l y s eo u rm a t h e m a t i c a lm o d e l a m a t l a bl a n g u a g ep r o g r a mi s d e s i g n e dt o s i m u l a t et h ev a r i o u ss t a t e so fh u m a nb e i n g s d u r i n g w e a r i na d d i t i o n ，b yv i r t u eo ft h i sc o m p u t e r p r o g r a m e ，w e c a n a c q u i r et h ei n s t a n t d i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ev a p o u rp r e s s u r ef i e l da n dv e l o c i t yf i e l di n s i d et h e g a r m e n t a i r a n dt h el a w sa b o u tt h ec h a n g eo ft h e s ep a r a m e t e r sc a na l s ob e g o t w eu s et h et h e o r ya n de x p e r i m e n t a ld a t aa c c e p t e db vm a n yr e s e a r c h e r st ov a l i d a t e o u rm o d e l ，a n dt h er e s u l ts h o w st h a to u rm o d e li sc o r r e c t k e y w o r d s ：g a r m e n t a i rl a y e rt h e o r e t i c a lm o d e lh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i s g r a d u a t e ：z l u m g d a h a i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r t i a n x i a o l i a n g 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 现代消费者对服装的兴趣，不止在于华丽的外观，更在于舒适的感觉，他们希 望服装与所选择的仪态、角色和形象相呼应。服装舒适性研究者认为，消费者正不 断扩大视觉感以外的要求，允许触觉、味觉、直观感觉和感情因素影响其购物决策。 因此，购物和穿衣经验变得很重要。舒适性作为服装的一个关键参数，其重要性不 容忽视。 舒适性是消费者普遍的基本需要，因为消费者自身所做的每件事都能够被看作 是努力改善生活的舒适程度。服装和纺织品是人们日常生活中获得生理、心理舒适 性的基本材料，更是确保身体周围的物理条件适应生存的基本手段。因此，服装舒 适性研究具有保证人类生存及提高生活质量的根本意义。 舒适性是一个很难下定义的复杂而模糊的概念。f o u r 和h o l l i e s 综述文献发现 舒适性包含热和非热的成分，且与穿着场合如工作、严峻及非严峻环境条件有关。 人体对服装及环境条件的综合生理反映在系统达到稳定时是可预测的，能够根据易 测量因素计算得到，如服装的热阻、湿阻、大气条件及生理活动水平等。这是服装 舒适性研究的传统领域，其中大量的研究成果已发表且用来解决实际问题，例如， 保温值( 克罗值，c l o ) 已广泛用于军服设计和分类0 1 ，且用于计算室内空调的热舒 适指数“_ 6 3 。 广义的服装舒适性是一个囊括生理、心理、物理等多因素的极为复杂的问题， 它包括服装的饱暖性、透湿性、电子性、防噪声性、织物外观的美学性能如悬垂性、 抗褶皱性以及服装款式所造成的舒适感等。从狭义的角度讲，舒适性的首要标准是 人体、服装、环境之间的生物热力学的综合平衡。这个平衡主要包括满意的热平衡 和湿平衡，它是气温、湿度、风速、人体活动状态和服装热湿特性等诸因素综合与 协调的结果，构成了服装热湿舒适性的内涵”1 。 对服装热湿舒适性的研究，从四十年代至今一直是国内外纺织服装领域学者们 关注的焦点。若采取传统的方法研究织物的舒适性，即生产出成品以后进行穿着实 验或物理测试，既浪费人力、物力和时间，所获实验数据还有很大的局限性。随着 研究的深入开展和许多研究论文、著作的发表，服装热湿舒适性研究的理论意义和 使用价值逐步拓宽为多学科交叉的边缘学科，评价方法多采用多学科共存、定性和 定量相结合的方案，被认为是现代服装科技的前沿性课题，具有重要的理论意义和 使用价值。因此，近几十年来，人们采用热质传递理论模型来模拟分析人体着装的 第一章绪论 舒适性，己获得许多研究成果，简要概述如下。 第二节服装( 织物) 热湿传递理论模型综述 1 、服装( 织物) 热质传递理论模型的回顾 1 1 c l o 值 热阻 模型1 9 4 1 年a p g a g g e 和a g b u r t o n 例提出了服装 隔热保温综合性指标c l o 值。考虑了人体的生理参数、心理感觉量和环境温湿度及 风速条件。在随后的研究中，他们通过实验又得出了标定c l o 值的方法和粗略计算 公式，从而能够用该指标来比较不同纺织品的隔热性能。 1 2 纯导热模型此种分析法将服装( 织物) 的传热过程看作是一维热传导根 据傅立叶定律确定导热系数k ，进而用导热系数来比较不同织物的保温性能。 1 3 导热+ 辐射模型 f a r w o r t h 博士、i m s t u a r t 和b v h o l c o m b e 及l o t e n s 和p i e t e r s “ 在分析织物及服装的热传递过程中，不仅考虑了导热现象，而且考虑了纤维基层和 服装层与层之间的辐射现象，并提出了相应的数学表达式，形成了导热+ 辐射模型。 1 4 透湿指数 湿阻 模型 1 9 6 2 年a h w o o d c o c k n l l 为了对由湿气蒸发所产生的额外散热进行估计在织物 散热方程里引入了分析热气候条件下穿着舒适与否的透湿指数。该指标实质上是反 映服装材料热阻和其湿阻之比的个无量纲量，其值越大，意味着在同一热阻情况 下，该材料的湿阻越小，即导湿能力越强。反之，透湿指数越小，材料的导湿能力 越差。j c b a r n e s 和b v h o l c o m b e 予1 9 9 6 年在“m o i s t u r es o r p t i o na n dt r a n s p o r t i nc l o t h i n gd u r i n gw e a r ”“”一文中阐述了大量显汗状态下由人体运动引起的吸湿 性服装靠近皮肤时从皮肤处吸收水汽和移走时释放湿分的过程能够加强汗液从系统 中排出且给出了类似透湿指数的湿阻计算式。 1 5 湿平衡模型 此模型发表于2 0 0 0 年2 月的t r j “3 1 上，作者基于纤维和空气组成的二维矩形 区域对纤维集合体进行了湿分分布模拟计算，并讨论了纤维和空气中的湿分浓度在 二维方向上依湿分在纤维中的扩散常数和纤维集合厚度与宽度的比率的不同而随时 间的变化情况。 。 1 6 热阻与湿阻组合模型 1 9 8 6 年f a r n w o r t h o ”博士从系统的角度对织物热质传递现象进行了研究，提出了 多层织物系统的热质传递数学模型。在这个模型中f a r n w o r t h 博士将不同纤维种类、 厚度的各层织物对热量和湿分的阻挡或缓冲作用分别用统一的变量热阻、湿阻来表 第一章绪论 征。 l o t e n s 和h a v e n i t h “”也采用了热阻、湿阻分析方法。他们把人体看成是十三个 直径、高度不同的圆柱体的组合，引入了相对单个圆柱体的第n 层服装的表面积系数。 有了此系数，各圆柱体片段上服装层的热、湿阻值( 分别用克罗值、等价静止空气层 厚度来表示) 便可以换算后直接相加，由此可对某种特定环境下服装层总体的隔热、 传湿效果进行评价。 1 7 对流模型 1 9 8 3 年澳大利亚的i m s t u a r t 和e f d e n b y “”研究了以风为主导因素的服 装( 织物) 层热湿传递现象，并根据织物的透气性大小将其分为两种情况：依次是透 气性大时通过人体的气流带动微小气候和环境间的热质交换和透气性小时整个系统 中以扩散为主的热质传递，给出了透气性大时通过织物的热、湿流量的近似计算式。 法国的b e r g e r 博士认为“”在皮肤和服装之间被限制的空气层不仅能够产生隔热 效果，还可以调节人体的显热和潜热损失。对此，他提出了风泵效应模型，通过引 入微小气候空气更新率的概念对微小气候中空气的温度和含湿量进行了计算，并与 人体的热湿平衡式相结合，分析了不同季节服装对人体的舒适调节作用。 1 8 h e n r y 热湿偶合模型 h e n r y 博士从孔隙问的分子运动角度出发定义了多孔介质内部对应于不同孔隙 级别上的热质浓度( 将温度视为热量浓度) 和传递系数o ”，在忽略某些次要因素的基 础上建立起了热质传递平衡方程最终求出分析解并将之应用于不同密度的棉包内 部温、湿度计算上。 1 9 n o r d o n 和d a v i d 热湿偶合模型 2 0 世纪6 0 年代末，澳大利亚c s i r o 羊毛研究实验室的p n o r d o n 和h g d a v i d 在国际热质传递期刊上发表了一系列文章“”叫。他们在两大热质守恒方程的形 式和未知量表达上基本沿用了h e n r y 的写法，除各湿分浓度由微元体体积浓度变为局 部浓度外，不同点即在于他们根据w a t t 教授1 9 5 4 年提出的羊毛两阶段吸湿原理将吸 湿性织物( 羊毛) 中湿分随时间的变化量和空气相对湿度与纤维相对湿度之差联系 了起来。 1 1 0 y l 和b v h o l c o m b e 热湿偶合模型 1 9 9 3 年y l 和b v h o l c o m b e 脾1 借助他f f 3 1 9 9 2 年提出的“热湿偶合两阶段吸湿 模型”( t w o s t a g es o r p t i o nm o d e l ) 首次以织物为研究对象并将织物与皮肤间的瞬 态接触过程和织物与环境间的热质交换以偏微分方程的形式作为边界条件来处理， 在某种程度上较合理地解释了吸湿性织物与出汗皮肤接触时所引起的冷感。他们模 型中的热质守恒前两式与h e n r y 模型的公式完全相同。所不同的是摈弃t h e n r y 模型 中关于二者立即达到平衡的假设，绘出了纤维含湿量的变化速率与周围空气相对湿 第一章绪论 度和纤维水分活度之差的指数关系式。 1 9 9 8 年以后，y l 和b v h o l c o m b e 1 更加深入地对模型中的第三式进行了研 究，将羊毛织物中纤维对垂直织物平面方向、纤维半径方向和时间变最的含湿量变 化率通过实验德出了近似回归式，提高了以往模型的计算精度。 1 1 lt n i s h i m u r a 和j t f i n ns a g a r 模型 t n i s h i m u r a m l ( 日本) 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。虽然此模型关于纤维与空气交界处假设二者 浓度成正比过于简单，且未考虑胀缩，但其结果可定性地分析问题。 j t f i n n 和s a g a r 。”( 英国) 于2 0 0 0 年探讨了温度对防水透气性织物湿气传递 性的影响，然而没有从机理上分析而建立模型。 2 、各类模型的基本特征 2 1 c l o 值 热阻 模型 c l o 值作为服装及其内部空气层的非潜热热阻指标，反映了纺织材料本身与微小 气候的总的隔热效果，实质为特定工况下的显熟热阻。虽然c l o 值定义时考虑了人体 的生理因素、心理感觉和环境气候条件，但其计算中将蒸发潜热流排除于总热流之 外，使之与实际情况有很大差距。 2 ，2 纯导热模型 纯导热模型将不同状态下织物对热流( 包括显热流和潜热流) 的阻隔作用用导 热系数这一变量总体地加以体现，尽管通过回归分析能够得出导热系数与织物特性 之间的相互关系，却无法准确地给出产生这些相互关系的起因。 2 3 导热+ 辐射模型 该模型将服装层的传热过程分为导热和辐射两部分，比纯导热模型进了一步， 但仍忽略了对流和相变过程。 2 4 透湿指数( 湿阻) 模型 透湿指数的定义法则与克罗值类似，所不同的是透湿指数描述的是织物对水蒸 汽的传递能力。二者虽然能够对特定工况下的纺织材料的传热和透湿性能进行比较， 但由于它们都是在特定实验条件下测得的状态参数，对于实际穿着服装时由一种状 态到另一种状态的动态热湿传递过程，两指标都是不确定的变量，使之在织物舒适 性能的评价上可比性较差。 2 5 湿平衡模型 作者在建模过程中假设织物内部的纤维和空气为平行交替的圆柱体，与织物三 重多孔介质嵌套的实际情形有较大的出入，同时其关于纤维空气交界处= 者的湿分 浓度成正比的假设过于简单，故此模型的计算结果不能完全反映通过织物的湿传递 d 第一章绪论 现象，但根据数值模拟结果画出的矩形区域内纤维、空气的湿分浓度分布图可以定 性地对某些问题加以讨论。该模型数值求解结果表明，二维数值计算对织物内部热 湿传递现象的分析具有重要意义。 2 6 热阻与湿阻组合模型此类模型的优点是将服装层的传热和传质过程 均考虑在内，因此较前五种模型考虑因素全面，但由于热、湿阻都是在与实际着装 情况差异较大的实验条件下确定的物理量，故应用时引起的偏差也是较大的。 2 7 对流模型 对流模型突出了气体流动所带来的服装与微小气候之间以及服装与外界环境 之间的热、质交换，表明气相总体移动对服装热湿传递过程具有重要的作用。 2 8h e n r y 热湿耦合模型、n o r d o n 和d a v i d 热湿耦合模型和y l 及b v h o l c o m b e 热湿耦合模型” 以上三类模型均属于热质耦合模型，其基本方程组和表述方法大致相同。基本 方程组属于抛物型偏微分方程组，由三个方程组成，分别为织物的质量守恒方程、 能量守恒方程及织物中纤维湿含量的变化特性方程。n o r d o n 和d a v i d 对h e n r y 关于纤 维中湿分瞬间与周围空气达成平衡的假设首先提出了质疑，给出了自己的计算式， y l 和b v h o l c o m b e 则结合w a t t 的羊毛两阶段吸湿理论对羊毛纤维所含湿分随大气 相对湿度的变化进行了更加深入的研究力争在模型的精确度上有所突破。尽管y l i 和b v h o l c o m b e 的模型已涉及到了人体一服装环境系统的整体模拟计算，对h e n r y ， n o r d a n 和d a v i d 的模型雨言是一大进步，但他们没有摆脱前人模型本质上的缺陷：即 忽赂了对热质传递现象影响很大的织物内纤维和纱线的胀缩作用以及总压梯度势驱 动下的气流整体移动，也未考虑辐射换热和芯吸效应等传热、传质现象。 2 92 0 0 1 年，东华大学的李创在论文纺织品动态热湿舒适性研究中，采 用一种新型的织物热湿传递性能测定仪测定了微气候区内温度、湿度及热流曲线的 动态变化，并根据测定曲线推导了两个新指标动态热湿比瑚r 和相对散热速率来 评价织物的热湿传递性能。实践证明两指标能有效区分潜汗与显汗蒸发条件下织 物的热湿传递特性，是一种有应用前景的新方法。 2 1 02 0 0 3 年，大连理工大学的李风志在织物热湿传输机理模型研究中， 综述了织物的热湿传输机理模型的发展，介绍了服装面料的热湿传输过程；在此基 础上，结合织物的传输特性，获得了以大气压力、湿分、温度为参数的三参数织物 热湿传输模型与现有的织物热湿传输模型不同，该模型从宏观上考虑了纤维的解 吸等温特性对织物特性参数的影响，并且考虑到了毛细压力、重力、大气压力、蒸 发凝结等作用下的气、液传输，以及气液流动、辐射对温度分布的影响 从上述对各模型基本特征的分折可以看出，热湿偶合模型是最具有发展前途的 理论模型，但现有各模型考虑因素仍不全面，有待于今后进一步完善。 第一章绪论 3 、发展展望 众所周知，人体皮肤服装层一外界环境三者之间形成的微小气候和服装外 层空气边界层是影响人体舒适性的重要围素。方面，微小气候空气层直接与人体 接触，其状态决定了人体是否舒适；另一方面，微小气候区与服装外层空气层闻的 压差会引起空气的整体移动，直接决定着服装内部的热质传递过程，故对微小气候 空气层的建模分折是研究服装热湿舒适性的重要内容。 服装在穿着状态下所发生的热湿传递过程涉及到许多物理现象，如各类传热现 象( 导热、对流、辐射、相变换热) ，各类传质现象( 分子扩散、毛细管效应、紊流扩 散等) ，动量传递现象( 在总压作用下气流的渗透移动、服装层受压或其它外力作用 引起服装变形产生的微小气候层变化等) 及服缩现象( 吸湿膨胀、放湿缩小及热胀冷 缩等) ，而一套完善的理论模型应将上述现象全面合理地考虑进去。 另外，就人体着装而言，多孔介质内部的热质传递过程也是非常复杂的、而服 装( 织物) 可看做是多重复合多孔介质。纤维本身是多孔介质，纱线内部纤维之间构 成第二重多孑l 介质，织物内部纱线交织构成第三重多孔介质。因此，欲建立完善、 合理的热质传递理论模型，必须有机地处理好这三重多孔介质间的相互关系。 因此，作者认为，从未来利用计算机仿真人体着装过程的发展方向来看，必须 建立起一套比较完善的理论模型，这一模型应包括以下凡部分： 1 ) 微小气候层及多层着装时层与层之间空气层热湿传递模型。 2 ) 服装层热量、质量、动量及胀缩变形综合理论模型。 3 ) 边界层数学模型： a ，外界边界条件一传热边界条件、传质边界条件及总压变化方程； b ，人体表面边界条件一人体达到舒适的散热量、散湿量及空气含氧量等边 界要求 只有这样，才能够反映人体一服装环境系统中各种热湿传递现象的较完善的 理论模型才能最终建立起来，在此基础上利用计算机便可对人体着装过程进行仿真 分析，进而形成关于服装热湿舒适性的客观评价体系，以便更好地指导服装行业的 生产和满足人类舒适着装的需要。 在皮肤和服装之间形成的微小气候层及多层着装时层与层之间空气层是影响舒 适性的重要因素，它不仅能够产生隔热效果，还影响人体体表的散热量和散湿量。 微小气候空气层直接与人体接触，其状态决定了人体是否舒适，故对微小气候空气 层热质传递过程的模拟分折是研究人体着装动态热湿舒适性的主要方法。 本课题以微小气候及多层着装时层与层之间空气层的热湿传递过程为重点研究 对象，将服装层及环境空气层按当景热阻和湿阻来处理，重点模拟分析人体在不同 的活动状态、不同环境工况及不同服装特性下的空气层内的热质传递现象及规律。 第一章绪论 第三节本文的主要研究内容和解决的问题 前入对服装微小气候及多层着装时层与层之间空气层的研究甚少，许多学者认 为，按固定的热阻和湿阻分析便可以。本文将以微小气候及多层着装时层与层之间 空气层的热湿传递过程为重点研究对象，依据表征性体积单元的概念，应用连续介 质的分析方法，考虑服装空气层热湿传递过程中的传导、对流、扩散、相变等现象， 根据质量、动量、能量三大守恒定律，建立起反映服装空气层温度场、湿份浓度场、 以及速度场变化规律的理论模型，并利用计算机对该模型进行数值求解，模拟分析 空气层对人体热湿舒适性的影响规律。本文的研究将表明：在动态分析过程中，将 空气层按固定的热阻和湿阻分析的方法是不恰当的。 本文具体解决如下问题： 1 、建立一套较完善的反映微小气候层和服装间空气夹层热湿传递现象本质的机 理模型。 2 、对所建立的机理模型进行离散化处理，编制m a t l a b 计算程序，利用计算机模 拟分析微小气候内部发生的各种热质传递现象，并探讨模型的基本特征及其特 性参数对该现象的影响。 3 、利用计算机模拟分析微小气候层及层与层之间空气夹层内部发生的各种热质 传递现象，分析空气层对人体热湿舒适性的影响规律。 第二章着装人体热湿传递过程的机伟q 模型 第二章着装人体热湿传递过程的机制模型 第一节物理模型及基本假设条件 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1 来调节体温和 皮肤湿度。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 c ，最高界线为4 2 c 。一般人每天散失水分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，这就形成一个 如图2 - i 所示的快感带“”。 图2 - i 体表快感带 众所周知，要保持人体的舒适状态，就必须使人体处于特定的温度、湿度和风 速的环境中，而外界环境往往变化无常，人体的自我调节能力又非常有限，因此在 人体和环境之问就需要种具有调节热量和湿分调节的中间介质，即我们所穿的服 装。着装后，若能使皮肤和服装之间形成的微小气候的状态处于图2 一l 所示的快感 带内，则人体感觉非常舒适，达到了人体着装的目的。 处于舒适状态下的着装人体所产生的热量大部分是以显热的形式通过服装向环 境散发的。当人体产生的热量和湿分不能及时散发出去时，就出现了热量蓄积，导 致体温升高，当它达到人的正常体温的临界值时，人体将通过汗液蒸发量的增多来 调节体温以免其继续升高。另外，随着环境温度的升高，显热量所占的比例将逐渐 减少，有时甚至出现由外界环境向人体的逆向传热现象。 人体所产生的热量和湿分的输运现象是相互关联、相互制约的，不但受制于外 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，而且与人体不同 的活动状态直接相关。 图2 - 2 表示人体、微小气候、内衣、空气夹层、外衣和环境的相对位置。可以 看出：人体产生的热量与湿分首先通过微小气候，然后经内衣层传向空气夹层，再 8 第二章着装人体热湿传递过程的机制模型 经外衣层传向外部环境。本文着重于对通过空气夹层的热湿传递现象进行模拟研究， 将首先针对空气层内部的各种物理现象进行概括分析。 人 体 微 小 气 候 - + 内 衣 - _ 1 逶 卜，i 警 图2 - 2 物理模型 环 境 微小气候空气层直接与人体的体表接触，故其状态直接决定着人体的舒适程度： 所以要满足人体的舒适性，微小气候空气层的温湿度就必须在处于图2 - 1 所示的快 感带内。 空气层内部的热量及湿份传递过程发生着许多复杂的现象，这些现象的个共 同特征是发生了位移或运动，故可称为输运现象1 。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。由于质量传递和动最传递 离不开能量传递，因而热量及湿份在空气层内部的传递必然伴随着能量输运现象。 当空气层与外界发生各种热质交换时，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 - 3 所示。 服装空气层内部传热方式 导热( 固、气、液内部) 辐射 对流 相变换热( 水的蒸发与凝结现象) 图2 3 服装空气层内部传热方式 在服装多层结构中，服装的热湿特性可由热阻和湿阻来反映，已有不少学者” 做过大量研究，建造了许多测试装置，获得了大量实验数据；外部环境的热湿传递 过程可按照传热传质理论中的对流边界条件来处理。然而，在微小气候中由于存在 着多种形式的传热传质及相交等复杂过程，且其厚度较小，使得准确测试这一区域 的温度场和湿度场等状态参数极为困难。 微小气候中的状态参数是影响服装舒适性的主要因素嘲，对此，前人曾采用等 效热阻和湿阻的方法处理，这种分析方法仅适合于静态分析，对动态舒适性的分析 存在很大的偏差。有鉴于此，本文将以服装空气层( 包括微小气候层) 作为研究对 第二章着装入体热湿传递过程的机制模型 象，重点研究空气夹层的热湿传递，建立其物理模型及数学模型，并借助计算机用 数值分析法模拟研究这一复杂的热湿传递过程。研究过程中把内衣层当作一个热阻 和湿阻来考虑，这样由于所考虑的空气夹层厚度一般大于6 m m ，故需对可能发生在空 气层中的对流和渗透现象加以考虑，从而使所建模型与实际工况更贴近。 作者在模型推导过程中采用的基本假设条件有： 1 、假定空气层区湿空气为各向同性的连续介质，各局部区域固、气、液三相处 于热力学平衡状态。 2 、本文所指的空气层是包括微小气候层在内的服装空气层，在对整个空气层的 研究中，把内衣当作一个热阻和湿阻加以考虑。 3 、由于占人体绝大部分散热面积的躯干和四肢近似为圆柱体，为了使模型方程 更接近实际情形，作者把人体假定为圆柱体。 本文将依据上述假设条件，应用连续介质分析方法，进行模型的建立。首先根 据质量守恒、动量守恒、能量守恒基本定律，结合s t e f e n 质扩散理论，建立空气层 热湿传递的数学模型，并将讨论的初始条件和边界条件及有关工况的仿真分析。为了 更具体地阐明这一机理模型，本章还将对该模型中主要参数进行分析，并介绍本模 型的主要特征。 第二节数学模型的建立 一、水蒸汽、千空气二元扩散系质量守恒方程的建立 在空气层的流场中取一个微元控制体缸、缈、缸，依据质量守恒定律有( x 、 ) - 、z 分别指正交坐标系的三维) ： f 控制体内水蒸汽的、，控制体内水蒸汽的、佃控制体流入流出的、 i 质量积累率j 。i 质量生成率j i 水蒸汽净通量j ( 2 - 1 ) 水蒸汽流入控制体的通量为： n 。a y z + n 口缸缸+ n 。缸缈 ( 2 2 ) 水蒸汽流出控制体的通量为； n 饼+ 缸a y a = + 堆咿+ 埘a x a z + n 瞎+ 缸缸缈 控制体内水蒸汽质量积累率 ( 2 - 3 ) 堡二竺堑些堡垫塑! ! 些丝型丝! 唑! 丛型 盟血也z d r 啦位时问内控制你t p 水蒸汽的生成率为 a x a y ：z ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 代入：j 。哑式( 2 一1 ) t 以血皿通除各项，并取血、缈、血趋j j 二零le , j 的极限，得 改写为矢毓形式： 鲁= 一等一孥o v 一警q d f 出出 ( 2 6 ) 婴：一出v 亓一 ( 2 7 ) 当有l j 体流动的条件卜i ，水熬汽相对于脚定坐标的净通量等于该组元的分子扩 敝通量j j 该组i 随卜体运动的对流扩散通量之和“”3 ： 币r = 一加v - + p v 矿 ( 2 8 ) 将式( 2 - 8 ) 代入( 2 - 7 ) 式得水蒸汽、f 空气：元扩散系中水蒸汽质扩敞办棵： 警一咖( 胴瑚v ( 印。g r a d c o j ( 2 _ 9 ) 将卜式改写为极坐标形式为： 驯： 整理得： d i v ( p 。| 7 ) 一d 。，v2 a + 孥一_ ：o d f 旦笋+ a 警+ 狮等+ 譬等+ 等等托警+ 沈警 一争(r警+亟+等+r等)+_一opt,or o r o r p 。 ，、 ? ， 疗伊一出2 7” ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) 争) 等+ 争等警一巩等一告警_ 。軎 + 警+ 旦竽坛警+ 孚等增等_ = “ 弼，l 竹姨人体热泓传递过枞f f j 机制棋j ” 二、运动方程的建立 将动量i 。陋定律应，h 于空气层叶l 所取的微元控制体，根柳：率占性流体力学l f 著彰 的纳维尔( n n v i 。r ) 和斯托克斯( s t o c k e s ) 方程。“： p 亲= 一芸+ 去陬暑一号脚v 明 + 扣考+ 知知笔+ 铷 协，。， p 尝：p y 一罢+ 昙眦祟+ 呈) 】 p 瓦2p 卜瓦+ 瓦l 瓦+ 瓦j + 杀e z 安一詈肋y ，+ 鲁泓笔+ 娑o l ，c t j(汜o z p i d w ：p z 一芒+ ( 罢+ 罢) 】 p 瓦2一面+ 面唔+ 面 + 熹眦詈+ 塞卅鲁陬警一；脚v 矿，c ( vo zo zo z， 雅理成矢鼓形式得： p 坐= f v j ) + v 2 卢陋1 一昙v d v 旷 d r 。 3 。 其中： 【占 ! 牟+ 堡1 2 、却缸 洲 三卑+ 坐1 2 、出缸 ! f 塑+ 鱼) 2 、分瑟。 o w 陇 ( 2l4 ) ( 2 一i 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 一i7 ) 公式中娑表示对纠时间的全导数，如： d ua “a “a “a “ d ra r融 砂 赴 ( 2 1 8 ) 将纳维斯托兜蜥方程式；成i 捌牲舷标系的形式为： 1c o p ，a 2 u r 1a 【打u r1a 2 u r2a 叶a2 u r 、 ：- p 万+ 【矿+ 7 i + 7 + 7 可一7 丽+ 可j 西、加j r 西r 2 r ! a 伊2 r 2 a 妒 如二 1 2 乱一西跏一毋 丝乒矿瑟， 第二章着装人体热湿传递过程的机制模型 ：堂+ 昕o u r + 竺塑+ 上v 2 + 沈o u r a 1o rra ra z ( 2 1 9 ) f 妒一三旦+ y ( 磐+ _ 1 a u q 。u q j + 鸳+ 乓o u r + t 8 2 u q ) pr o c p o r ro rrr 2 a 妒。 r 2a 妒以2 ：业+ u ro u q 9 + 丝垫+ 婴+ 沈业 a fo rra ro z 见一业p+y(02u：z+三警+丢等+丢等+02u。zoz o rrrro z ) 、 把 2 a 伊2a 舻 ：o u z + u 塑+ 生里+ u z o u z a z打raaz ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) f r 、f 驴、j 磅为单位质量力在三个坐标轴( r 、妒、z ) 的分量。根据实际情况可 知，径向和周向不存在质量力，即f r 一0 ，f 伊a0 ，在竖直方向，仅有重力的作用， 即f z = - - g ，所以，方程迸一步变为， 1o p，d 。u r1a 昕昕1a 。u r2o u ra 2 狮 一万i wl 可+ 7 i + 7 + 7 可一7 面+ 可 ：塑+ 聊o u r + u ! o u r + 篮+ 沈一o u r a to rra ra z p 嚣州等+ ! r 业8 r 一孚+ 善r 等+ 善r 等+ 等 ，d 舻 、 a ， 。 a 舻。 。 a 伊a 0 2 ：o u e p + u ro u q o + 堕塑+ u r u q o + 沈业 d _ o rr d 妒 r把 1o p ，a 。u z 1a u z1a 2 u 妒1a u za2 u z g 一石i wi 可+ 7 百+ 7 萨+ 7 面+ 可 ：一o u z + u 堂+ 生里+ 沈一o u za 百打，a 把 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 三、能量守恒方程 根据热力学第一定律对服装空气层所取的微元控制体，进行能量平衡关系分析。 1 3 讹：啦竹杖人体热泓传递过“的机制模j w 流体的能墩j 其i 】能【7 和动能竺二三二芝两部分组成m - u l j ： e = u + 兰! i 旦。经过微尤控制体的六个分界面流入流出能量的总和应等r 陔 根拟能鲢：r 恒定律，衡能量方捌： f 微元控制体支出 l 的能量净通量j 2 巾= 一詈( 折v 旷) 2 + 肼2 ( 罢) 2 + 2 ( 祟) 2 + 2 ( 罢) 2 j融洲出 十c 考+ 2 + c 笔+ 罢，2 + c 害+ 考一 。哪， 对。i 二低速流动，能量耗散函数与其它各项相比甚小，也町略去不讨。山j 二水蒸 汽凝结时会放出大量热鞋，以内热源q ，的形式进行处理。则得能量方程式的表达式： 肛警一棚饥+ 筹( 2 - 2 8 ) 庐祚j 文表示能爵辑淅黼特山千醢踊与h ：柚项柏比萁小曲可略士， g 一内热源项 靠= a h r a h 榭变潜热i 然发( 或冷凝) 蟹( 体表敝泓量) 对理想气体p 一去( 孰= 亭 即：豢= 肿一喊+ 豢 按j ! l i ! l i f 半标艘) i ：为： ( 2 2 9 ) ( 2 3 ( ) ) 阻墅增 的 体的 屹 制鲢 控能元储微存 6 2 2 中 +矿：毽p一 一叮 折一 = 型加 p 为自 拟 的茂变转 墨三垩童塑叁堡垫堡堡望塾堡塑垫堕! 堡型 肛隆，要+ 等孔卦悄r 誓) + 新嚣) + 昙( z 耕峨+ 隆，詈+ 等嚣怛割 即： 肛( 詈鲁+ 等嚣+ “：罢) 2 a 鲁+ 褰+ a 害+ 陟，詈+ 等扣汁地 五。， 服装空气层由于受到服装和人体表面的束缚，而且与织物层发生热湿交换，所 以在遵循上述基本定律的同时还要受到内外边界条件等因素的约束。 1 5 第二章着装人体热湿传递过程的机制模型 第三节模型初始条件及边界条件 要对模型中抛物型的非线性偏微分方程组进行求解，必须针对具体情况给出具 体的初始条件和边界条件。因为本课题最终目的在于研究人体穿着服装的热湿舒适 性机理，故将首先尝试写出空气层的通用初始条件和边界条件。 一、空气层模型初始条件及边界条件 1 、初始条件 初始时刻，空气层的温度分布、水蒸气密度分布和速度分布是已知的，即有 p ，( o ，r ，妒，z ) 一，v ( ，妒，z ) ( 2 - 3 2 ) k ( 0 ，r ，妒，z ) - 无( r ，伊，z ) ( 2 - 3 3 ) 耳( 0 ，r ，仍z ) 1 疗( r ，妒，z ) ( 2 - 3 4 ) 其中，( r ，妒，z ) 表示织物内部任一点的坐标。 2 、空气层模型边界条件 空气层与服装接触的两侧经常会发生热传导、对流换热和传质现象、辐射换热 和蒸发凝结现象，当已知两侧的热流通量和质流通量时，满足传热学上所定义的第 二类边界条件。为了使本研究中公式计算的物理意义明确，便于对人体一服装一环境 这一系统的影响因素进行分析，作者在此把空气层内外边界处发生的辐射、对流、 意外吸湿等现象用传递系数的形式考虑在内。 对于所研究的微小气候空气层，如果按照实际的三维坐标考虑有六个边界条 件，为简化起见，在圆周方向上将其视为没有引起物理量变化的源项，则边界条件 就减少到了踞个，对内边界和上下两个边界，均按照第一类边界条件给出，对外边 界条件，则按照第三类边界条件给出，即有 ( ，声) _ ( ，f ) ( 2 3 5 ) t ，( ，) _ ( r ，f ) ( 2 3 6 ) ( ，力l ( r 力 ( 2 3 7 ) 扎兰+ h 。f f ，f ) 积w ( 2 3 8 ) 同理，对于水蒸气分压力p 。也有四个边界条件 第二章着装人体热湿