（纺织工程专业论文）微小气候层热湿传递现象模拟研究.pdf

摘要 论文题目：皴d ! 氢堰屠热摄焦遵丑筮搓挞班冠 纺缦王程专业研究生直趁指导教师圈竖基 本文通过对服装热湿传递研究方法及其历史的回顾。针对 现有理论模型存在的不足提出了一种新的热湿传递机制模型。 r ( 该模型综合了微小气候的导热、自由对流和辐射的换熟特点。 将温度梯度和水蒸气压力梯度作为主要驱动力，同时考虑了热 与湿的相互耦合作用以及反映相变过程的蒸发冷凝现象。 该模型由温度场和水蒸气压力场模型构成，作者应用连续 介质分析法。依据能量守恒、质量守恒等基本定律。结合s t e f e n 扩散理论，获得了反映微小气候热湿传递过程的温度场和水蒸 、 _ - - _ _ _ _ _ _ 一 气压力场数学模型。入 本文用定步长隐式差分法将所建数学模型离散化。编制了 计算机数值求解程序，可对不同工况下微小气候层的热湿传递 过程进行模拟分析。 本文还着重模拟分析了人体所处状态、服装层特性和外界 环境工况变化时。微小气候所处状态的变化规律，讨论了人体一 服装一环境系统的相关因素对微小气候层热湿传递现象的影响。 - 。；0 - 0 ：o - ：- 关键词：理论模数 微小气候， 热湿传递 模拟分岷 答辩日期；指导教师签字： _ j ；l ； i l l 1 0 k | i a b s t r a c t b a s e do nt h eg e n e r a lr 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 f t h eh e a t m a 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 ai l e wt h e o r e t i c a lm o d e li sp r o p ( m e a li n t h i st h e s i s i nt h i sm o d e l , t h eh e a tc o n d u c t i o n , c o n v e c t i o na n dr a d i a t i o ni nm i c r o - c l i m a t e a r ei n c l u d e d , a n dt h eg r a d j v n to ft m n p 盟a t u r ca n dw a t e rv a p o rp r e s s u r ei s r e g a r d e d a 8t h em a i nd r i v i n g f o r c e 1 1 蝣c o u p l i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e n t w of a c t o r s i sa l s ot a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n e s p e c i a l l y , t h ee v a p o r a t i o n - c o n d e n s a t i o n p h e n o m e n o n , w h i c h r e f l e c tt h ep h a t r a m - f o r m a t i o n , i st a k e na o o o u l l to fi n t h i sm o d e l 1 1 l i sn e wm o d e lc 锄b i s 协o ft c m p c r a t m va n dw a t v rv a p o rp r e s s u r ef i e l d m o d e l o nt h eb a s i so ft h ei d e ao ft h ec o n t i n u u mm e d i aa p p r o a c h , an t r m e r i c a l m o d e lw h i c hr e f l e c t s t h ec o m b i n e dd i f f u s i o no fh e a ta n dm o i s t u r et h r o u g h c l o t h i n g a n dd e t e r m i n e s t m p c r a t u r c a n dw a t e r v a p o rp r v s s u r ef i e l d , i s e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h el a wo fe n e r g y , m a 8 8a n dt h es t e n f e nd i f f u s i o nt h e o r y i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e li sd b c t e db yt h em e a no f t h ei f 叩l i c i t d i 】匿b 似i c eo ff i x e ds t e pl e n g t h 1 kc o l l l p l 栅p m g r a mt os i m u l a t et h eh e a ta n d m o i s t u 糟t r a m f ui nn 吐a h l h 眦h a sb e e n d e s i g n e d 眦n 册m o d e lh a sb e e nu s e d e m p h a t i c a l l y t os i m u l a t et h eh e a ta n d m o k t u r et r a n q m r tp i x l e a 墨i ii nm i c x o - d i m a t eu n d e rv a r i e db o m a d a t rc o n d i t i o no f h u m a n b o d y ，c l o t h i n g a n d e n v i r o m n e n t f u r t h e r m o r e , t h e f a c t o r sa n d c h a r a g t e r 诅t i c ai n f l u e n c i n gt h e 埘c o c 嘲蝴h a v eb e e nd i t u m d k e y w o r & ：t h c 斌- c t i c a l m o d e l m i c r o - c l i m a t e h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r s 蛔i u l 撕n ga n a l y 幽 _。乙 。；0 0 0 。l - l - 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1引言 舒适是使人们能够愉快地工作和生活必要条件，着装由于可 以帮助人们摆脱被动的适应气候条件的变化而成为重要的获得 舒适感的手段。近年来。特别是化学纤维大量发展后，为满足如 运动、保险、部分特殊工业性工作或执行军事任务等不同环境和 日常生活，人们对着装舒适性提出了更高的要求。国内外纺织服 装领域的学者们广泛地开展了对服装舒适性问题的研究。 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，它包括服装的保暖性、透湿性、电子性、防噪 声性、织物外观的美学性如悬垂性、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、环境之间生物热力学的综合平街。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 装热湿特性等的综合与协调的结果，构成了服装热湿与舒适性的 内涵。 服装穿着舒适性的研究分主观评价和客观评价两个方面。主 观方面有心理上的舒适性，包括服装的颜色、款式和对某种场合 穿着的舒适性等；客观评价方面包括织物对人体的刺痒感、湿粘 着性、接触冷感以及服装的热湿舒适性等。主观意义上的舒适性 是一个有着明显个体差异的概念而通过服装本身的颜色、质地、 手感等指标反映的舒适性易为我们感官所感知；然而。客观意义 上的服装热湿舒适性却并非如此。其影响因素众多，热湿耦合过 程复杂。热湿舒适性是人体生理特点对服装的第一需要同时也 代表了服装穿着舒适性的主要方面，而湿粘着性、接触冷感又都 -；-，l，l l ；0 ；，- ；。_ i 第一章绪论 是与服装热湿传递性能相关的物理特性。 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。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 使之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。 对于服装舒适性的研究主要在以下几个方面：1 、引发舒适感 的机理性和基础性的研究，其研究手段为根据已有的物理、生理、 心理学的知识给出研究对象的物理和数学模型。包括选取和确 定一定的量化指标和描述体系，通过设计实验( 如微小气候仪、暖 体假人、穿着实验等) 获得实验数据以验证模型并得出结论。2 、 对现有的各种服装织物的舒适性能进行比较，得出舒适性与织物 各参数之间的规律，从而去指导服装行业的生产。3 、与纺织材料 研究所得的最新成果相结合以开发出更加舒适的功能性织物来满 足大工业生产和人们日常生活的要求。 织物和服装热湿舒适性的研究，目前主要集中在新的指标体 系的建立和新的实验方法和装置的研究上，如：动态热湿比、相 对散热率等综合指标以及微气候仪、出汗暖体假人等实验仪器。 一些研究人员依靠实验手段获得相关物理量的实验数据从 而对某些物理现象给予定性解释；也有许多学者从传热、透湿、 透气角度对织物动态热湿传递机理进行研究。但迄今为止能较充 分反映服装热湿舒适性本质。从机理上解释并合理量化实际着装 过程中各种物理现象的数学模型还没有建立起来。本课题以人体 与服装层之间的空气层为研究对象，利用流体力学、传热传质学 的基本原理建立能够模拟人体不同着装状态以及处于不同环境 时热湿舒适性的变化的数学模型。为环境一服装一人体这一服装 p；0；0。0；0 l _ 第一章绪论 热湿舒适性仿真研究奠定基础。 1 _ 2服装热湿舒适性研究综述 服装热湿舒适性的研究是应二次大战期间的军需和军备服 务的特殊要求而逐渐发展起来的，至今已有6 0 年的历史，国内 外专家及学者为此作了大量繁杂而细致的工作。随着形势的发展 和研究的深入其研究范围也在不断发展，逐渐走向民用和备种特 殊用途相结合并已发展成为一个独立的、多学科交叉的研究领 域，克罗值和透湿指数这两个分别描述服装热湿传递综合性指标 的提出在早期的研究中具有重要的意义。 1 9 4 1 年a pg a g g e 和a gb u r t o n 川提出了服装隔热保温指标 c l o 值。它的定义是：在室温2 1 0 c 、相对湿度5 0 、风速0 1 m 8 以下静坐或从事轻度脑力劳动的人感到舒适时所穿服装的隔热 值为i c l o 。此时人体平均体温为3 3o c ，代谢产热为5 8 j 4 w m 2 ， 且其中大部分热量是以显热形式通过服装传至外界的。c l o 值是 一个综合性指标，它综合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，人们通过实验手段又得出了各种标定c l o 值的方法和粗略计算公式”。f ：一3 0 9 r 乃一t a ，其中，日d 为通过 爿d 织物的显热。n 为反映表面温度。砌为外界环境温度，从而能够 用该指标来比较不同纺织品的隔热性能。 1 9 6 2 年a hw o o d c o c k 3 】为了在织物散热方程里，对由湿气 蒸发所产生的额外散热进行估计，定义了热气候条件下穿着舒适 性与否的透湿指数，。它的定义式为 i n = c r c 材，r 。# 3 ( r c 空r 窆) 第一章绪论 其中，尺。：热通过材料的阻力；m ：蒸汽通过材料的阻 力；r 拄：热通过空气的阻力；r 。旦：蒸汽通过空气的阻力。 透湿指数厶实质上是反映服装材料热阻和其湿阻之比的一个 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。透湿指数厶越小。材料的导湿能 力就越差。 对于一般的纺织材料透湿指数厶是一个介于0 至1 之间的数。 j 。值越大，织物对气候适应的范围也就越广该指标也是一个综 合性指标，可以定性地对不同厚度的织物比较气候调节能力的高 低。 上述两个指标虽然能够对特定工况下不同材料的传热和透 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稳定 状态参数。对于同一服装材料在不同穿着状态下的热湿传递性能 以及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。 两指标都将是不确定的变数，无法得出任何结论。在这种情况下， 人们开始从热量传递和湿分传递两种传递过程的本质出发展开 展研究，采用的研究方法分理论研究和实验研究两个方面。 一、理论研究； l 、热量( 显热) 传递研究 导热系数是反映导热性能的一个重要的物性参数。文献【4 j 把 通过织物的热量看作是稳态一维熟传导。利用了傅立叶定律的数 学表达式，对影响织物导热系数的各因素进行了分析。接触冷感 是另一个由织物热传导特性决定的服装热舒适性的指标。文献【5 、 叼分析了织物与皮肤接触后皮肤温度变化规律，并根据热传导物 理学、皮肤感温生理学和感觉判断心理学的研究成果，提出了织 物接触热舒适一接触冷感产生的理论模型讨论了各特征物理指 标的相关关系。温度是热传递中的一个重要状态参数，文献1 7 】研 第一章绪论 究了织物的温度传递特性，得出了有关织物的温度传递函数。文 献【。】根据传热学原理中不同对流状态下的葛拉晓夫准则( g ，) ，得 出了不同空气层厚度范围内的织物热阻计算公式，认为织物中空 气对流与否、自然对流或稳态对流对织物热阻的影响差别很大。 2 、湿( 汽态、液态) 传递研究 人们对于服装湿传递的研究，主要针对吸湿、透湿和放湿三 个方面。熟环境条件下。由于着装人体不断出汗( 显汗和非显汗) 。 而水蒸气从人体转移的过程也是人体的散热过程。因此湿传递过 程必将伴随着热传递，服装对显汗和非显汗的吸收、透过以及教 湿三个连续的过程，自然也就会影响人体着装后的湿热平衡和舒 适性。按照h o l l i e s 的观点【1 ，人体在安静状态下，皮肤水气蒸发 或蒸汽压很小，穿着纯棉或涤纶织物并没有显著的舒适性差异。 而当人体大量出汗时却有明显不同。所以说织物的吸湿透湿和放 湿性能成为评价服装热湿舒适性的重要因素【1 0 1 。 织物吸湿有气态水和液态水两种情况；文献【12 】认为纺织材料 对气态水的吸湿速率可以将其转化为测量到达吸湿时间常数的 0 6 3 2 倍的时间进行分析。文献1 1 3 】是通过分析水漓在织物表面上 的形态变化。以水漓滴到布面至完全消失所用的时间作为表面吸 湿指标的方法，探讨了织物对液态水的吸湿机理文献【】在织物 液态水传递研究中。则利用铺展因子和湿散失率两个模拟量，得 出了织物特征参数和材料特征参数与织物液态水传递性能的关 系。 对于织物的透湿和散湿，有大量的文献对此作了深入研究 只是侧重点和方法稍有差异。文献【l ”着重研究了织物透湿的四种 途径：即织物中纱线与纱线的空隙、纤维本身、纱线中纤维与纤 维之间的空隙以及织物表面曲屈波所引起的自由空隙对织物湿 传递的影响。文献【1 6 】利用相对透湿率和透湿过程的状态方程对织 一 ；0 l ；- 0 乙 j ；l ：、- 第一章绪论 物透湿过程规律进行了研究。文献【17 】认为毛织物微小气候的温湿 度变化，在开始阶段较为复杂。但从三分钟以后，其变化是有规 律的：微小气候的温度随时间变化成对数下降，而微小气候的相 对湿度随时间变化成对数上升。文献【1 。】在织物散湿方面的研究是 先找出能描述织物湿重与时间的定量关系，采用多项式曲线拟合 得到经验方程，然后再根据函数的一阶导数和二阶导数的物理意 义分析了散湿速率和散湿加速度。并给出了具体的数学表达式。 = 、试验研究 在克罗值和透湿指数定义后的一段时间内。人们为了提供评 价服装热湿舒适性的客观依据，建立了测试某一指标的装置或直 接对受试人体进行测试。霍尔和波尔特【”2 0 】利用暖体假人在单 纯的热性能试验中得出了军用装备的测试分析结果。随着研究的 深入。人们逐渐认识到热与湿、人体、服装和环境是相互关联、 不可分割的整体，突出表现在研制新的模拟装置方面。1 9 7 2 年 m e c h l e s s 2 1 】研制了测试织物的千态导热性与热湿传递性的皮肤 模拟装置。1 9 8 2 年日本原田等人【2 2 】发表了试制的服用织物的微 小气候模拟装置。八十年代以后国内也成功地研制了许多类似的 测试装置和仪器。如：1 9 8 5 年中国纺织大学研制的织物传热透湿 装置【2 钉；天津纺织工学院采用西德皮肤模型的原理研制的能模拟 人体出汗和体温的皮肤模型【2 4 】以及织物液相缓冲测试仪f 2 5 1 ；西 北纺织工学院研制的织物冷暖感仪【5 1 ，另外还有许多与舒适性指 标有关的各种测试装置。 各种测试装置的研制，使此领域的试验研究成为可能，无疑 也推动了理论研究的发展。开拓了理论研究的范围。此后。借助 试验获得的数据。得到了一系列描述服装热湿舒适性指标与各特 性参数间相关关系的拟合曲线以及各种定性的分析结果【1 7 、2 乒2 8 1 。 另外，由于服装的穿着舒适性是由人的生理心理因素共同决定 第一章绪论 的，所以。存在着许多不能绝对分开的不确定信息，因此有些 研究耆对试验数据的处理，采用了模糊数学的分析方法：文献【2 9 】 运用了距离贴近度理论；文献【3 0 】运用了灰色聚类分析理论；文献 f3 1 】运用了灰色关联度理论。 综上所述，前人对热湿舒适性的研究经历了由定性到定量， 从综合性指标c l o 值和透湿指数到各种具体的热质传递过程这样 一个逐步深入的过程。 1 2服装热湿舒适性理论模型的综述 一、热传递模型 人体一服装一环境系统中的热传递现象包括传导、，对流、辐 射换热和吸、放湿产热四大类。由于专门研究此类现象的传热学 至今已发展得比较成熟，故建立单纯的服装热传递模型相对来说 比较简单。但其中通过微小气候和服装层的辐射、对流过程仍然 需要进一步的分析和讨论。 l 、f a r n w o r t h 纤维基层隔热机理模型 1 9 8 3 年加拿大防御研究基地的f a r n w o r t h l 3 2 】博士提出了 计算通过置于温度、发射率分别为t 1 ，口i ，t z ，口2 的冷、热板之间 的纤维基层的辐射和传导作用热流量的理论模型。他将此理论用 于从某些纤维隔热材料测得的热阻的数据拟合。认为对流现象 没有发生在这些材料中。他没有考虑在纤维横截面上产生的屏 蔽作用，而使用了一个定义为单位体积基层吸收的热量这样一 个大体的辐射吸收率p 。f a r n w r o t h 博士推导出通过纤维基 层的类似与导热系数的“辐射传导系数”k r d 等于8 o t 0 3 r fe 2 、s t u a r t 和h o l c o m b e 纤维基层加遮蔽隔热模型 1；k；k 。；0 ，； 。；o ，0 。- l ， j 第一章绪论 i m s t u a r t 和b v h o l c o m b e 3 3 j 接着于1 9 8 4 年对上述问 题进行了研究。他们认为人体和环境( 看作冷、热两板) 发出的辐 射热部分被纤维本身所吸收，结果是沿辐射发射路径产生了遮蔽 或阴影效果，在计算通过织物的热适量时应将此现象考虑在内， 最后得出了纤维基层中各位置处的挣热流量q 复杂的计算公式。 3 、l o t e n s 和p i e t e r s 服装组合热辐射模型 荷兰t n o 人体因素研究中心的l o t e n s 和p i e t e r s p 4 】在题 为“t r a n s f e ro fr a d i a t i v eh e a tt h r o u g hc l o t h i n ge n s e m b l e s ”的文 章中针对一个服装组合中服装层和空气层的温度、千热传递以及 局部受到辐射的人体热量总损失给出了模拟计算结果。他们认 为：被外热源辐照的服堤系统由内衣、限制住的空气层和外农所 组成。辐照的服装组合的热量部分被最外层服装所吸收。部分穿 过外层到达内农处，在那里又被吸收和反射。透过内衣的辐射热 量可忽略。在服装各层上的反射现象持续发生，直至能量最终完 全分布于最外层服装、内农和环境之中。由于人体近似具有圆柱 体的形状依辐照源与人体的位置关系可将人体分成4 个部分： 有、无辐照的裸露部分和有、无辐照的者装部分。 从而服装到环境中的总干热流为： 如= h r ( t c l o n j + h c ( t c l o - 死j 这里：毋。实际上是由人体产生的显热和储存在服装中的附 加辐射热的总和；_ i l ，：服装与环境问的对流热交换系数；h 。：服 装与环境间辐射换热系数；。：服装表面温度；d ：环境等效辐 照温度。 二、湿传递模型 服装( 织物) 热湿传递过程中的湿传递研究一直是舒适性研究 领域的热点和难点。织物中的湿分由气态水和液态水两部分组 成。织物的液态水含量在达到一定大小时，在织物内会发生流动 0-。0；-；i；。-i乙 。；l ；l l 。“l 第一章绪论 成为毛细管作用或灯芯现象。织物吸湿后其等效导热系数、比热 容、总湿阻等参数要发生相应的变化。鉴于服装( 织物) 中湿传递 的复杂性，国内外学者对此进行了大量的实验和理论研究【3 扎4 3 1 。 l 、w o o d c o c k 透湿指数定义模型 1 9 6 2 年a h w o o d c o c k 】为了在织物散热方程里，对由湿 气蒸发所产生的额外散热进行估计，定义了热气候条件下穿着舒 适性与否的透湿指数。透湿指数实际上是反映服装材料热阻和其 湿阻之比的一个无量纲量，其值越大，意昧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 的透湿能力就越差。 利用透湿指数的定义，则单位面积从皮肤向环境中散发的总 热流量为： j h ；坠擘i ( t l n l + i l s ( p l p 4 l 】 其中：，为织物的克罗值；f 。：透湿指数；s ：；p ，：皮肤处水 蒸气分压；巴：环境中水蒸气分压。 2 、运动状态下服装传湿模型 j c b a r n e s 以及b v h o l c o m b e 于1 9 9 6 年在“m o i s t u r e s o r p t i o na n dt r a n s p o r ti nc l o t h i n gd u r i n gw e a r 一文1 4 5 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 捧出。 通过推导。他们计算出了理想的吸湿性织物的平均汗液排除 率与理想的不吸湿性织物的平均汗液捧除率的比值为： r 击+ 壶j r 去十豪， i b + 面三j r 壶+ i 1 + 瓦1 + 豪， 一，0；k；0蛐j已l l l 第一章绪论 其中：s ，为运动前服装与人体皮肤间的湿阻；j ，为运动后服 装与人体皮肤问的湿阻；a ，为运动前服装与外界环境间的湿阻； a ：为运动后服装与外界环境间的湿阻。 三、着重空气运动的热质模型 众所周知。空气的猛烈运动对服装( 织物) 的隔热透湿作用会 产生很大的影响。近年来。特别是1 9 9 7 年以后，服装舒适性的 研究者们开始将研究重点转向考虑织物透气性影响的热湿传递 过程。9 9 年美国纳蒂克军事研究所开发工程中心的p h i l i p g i b s o n 等人自行设计了测量吸湿性纺织物的透气性对其相对湿 度、温度的依赖程度的装置 4 6 1 。法国的g b e r t o n 和d s i g l i ”】 则通过数学建模和有限元分析模拟了透过和环绕织物中纤维的 气流。其可按流过部分封闭的较薄多孔组织的牛顿型气流来处 理。还有相当一部分学者研究了纺织填充物【4 引、织物滤布4 9 】、 织造土工布p o 】内部和附近区域的气压场、空气流速以及透过率 等。 1 、s t u a r t 和d e n b y 风主导式热质模型( 1 9 8 3 ) 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 圳研究了以 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：依次是透气性大时绕过人体的气流带 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 大致计算式。 脚= 1 0 7 5 ( r s r a ) 似，吖；2 j 2 k j s m 如：0 5 8 1 x f l 0 - * ( p s p a ) d k j s m r 其中：日。；通过织物的总热流量；尥：通过织物的总湿流 i-0_j乙0。-；乙；，0；0 第一章绪论 量；a p ：人体表面积；d ：微小气候空气层厚度；p ：空气密度； 矿：空气运动速度。 2 、风泵效应模型 风泵效应【弛1 是服装层对人体产生的一种气流阻隔、控制作 用，1 9 8 8 法国的b e r g e r 博士对此进行了研究。他认为在皮肤和 服装之间被限制的空气层不仅能够产生隔热的效果，还可以作为 调节人体潜热和显热损失的系统。在他给出的模型中，b e r g e r 博 士通过引入微小气候空气更新率r 的概念对微小气候中空气的 温度和含湿量进行了计算，继而与人体的热湿平衡式相结合，分 析了不同季节服装对于人的舒适调节作用。 主要方程有： i h s t t s e 、+ h d c t d o - o ) d t = e c d o 0 = f t ：“8 f t 脑 。 h r s ( y s t d o ) = h c l c t d o 一8 j + h c ，( t d o z - 口j + h r l ( t c l o n ) 其中：# ：微小气候空气层厚度；c ：空气比热；r ：空气更 新率；0 ：空气层温度；_ i l f ：皮肤和微小气候间对流换热系数；h 。j ：服装和微小气候间对流换热系数；h 。2 ：服装和外环境间对流 换热系数；_ j i 刖皮肤和服装间辐射换热系数；五，j 服装和外环境 间辐射换热系数。 四、服装( 织物) 热质传递综合模型 1 、f a r n w o r t h 服装( 织物) 系统热质模型 1 9 8 6 f a r n w o r t h 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温传递数学模型。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 征，并使用织物两侧的温差、通过织物的热流量、织物热阻之间 - 0 l o；0，l0l 。 1 。； _ j ， 0 l 第一章绪论 以及织物两侧的水蒸气分压差、通过织物的湿流量、织物湿阻之 间的简单关系式作为整个系统质量能量守恒的表述。主要有： g = 塑a r t = 旱一警u 百一i 1 j 警= 等一半r 毋尺w 1w 、 m = + 肋f + 胁 ( 3 ) f a r n w o r t h 博士最后模拟计算出了出汗平板实验前、中、 后期通过不透气或透汽防水的聚醑针织物、羊毛针织物的热损失 和中心温度，与实验结果进行t b 较，并以此探讨了水的蒸发、凝 聚作用及纺织材料吸湿解吸特性对整个系统的影响。 由于谆模型本身的特点和处理上的大略原则，f a r n w o r t h 博士的模型存在以下几点缺陷：( 1 ) 织物系统中的对流热质交换现 象和芯吸作用引起的液态水传递现象未计算在内，因此仅适应于 在静止空气状态下穿着的衣物，有防风外套的服装层，或者芯吸 水只占织物层一小部分的多层织物系统。( 2 ) 假设织物中的水蒸气 含量m w 织物中吸收水量地。，液态水量m z 。，三者之间几秒之内 达到平衡，而实际情况为部分纤维织物在2 4 小时后才能达到湿 分平衡( 3 ) 认为大多数织物仅i m m 左右，故对每一层织物的温 度湿度场均以统一的n 、m i 表示而在给出各层热阻、湿阻值时 又以厚度为估计依据并假设各组织的扩散系数没有多大区别。 2 、l o t e n s 和h a v e n i t h 热、湿阻式模型( 1 9 9 1 ) l o t e n s 和h a v e n i t h 5 3 1 的模型非常简单，服装层中的复杂 的热质传递过程计算全部以热阻、湿阻计算的方法进行。对于空 气运动所带来的边界上的热质交换也用估算值来考虑。该模型模 拟的对象主要是穿着在运动人体上的服装层、空气层的总和。并 把人体看成是1 3 个直径高度不同的圆柱体组合，引入了相对单 ol；-i，l l；o。|0j l i 第一章绪论 个圆柱体的第n 层服装的表面积系数f c l n 。有了此系数，各圆柱 体片段上服装层的热、湿阻值( 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给出了某种特定环境下服装层总体 的隔热、传湿效果。主要计算公式有： 瓦i而=ic函fre61co瓦y+ 号产 ( 1 ) 厶+ 厶而厶一+ 五西一 厶 、 1绷口y1 一a r e a ， 4 - 一 幽+ e h 五如一+ 反扣一 如 豇= l a r e a c w + g r e a c o y 务 ( 2 ) 3 、y l i 和b v h o l c o m b e 接触式模型及其发展( 1 9 9 2 1 9 9 9 ) 1 9 9 3 年y l i 和b v h o l c o m b e 5 4 1 借助他们1 9 9 2 年提出的“热 湿耦合两阶段吸湿模型“( t w o s t a g es o r p t i o nm o d e l ) 【5 3 】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组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p s s h e n r y l 9 4 8 年的 公式完全相同。所不同的是即是摒弃了h e n r y 模型中关于二者立 即达到平衡的假设先给出了纤维含湿量的变化速率与纤维水分 活度和周围空气相对湿度之差的指数关系式。即： 丢鲁= r 风一所j 渤，j 一唧r 七z i 胁一所山 1 9 9 6 年改为【5 】 鲁班c f ( x , t m 毗h d r ) 其中： 爿1 ：2 3 1 2 孕d f ；彳2 ；e - 胁_ - 1 田dt 9 8 年以后，y l i 和b v h o l c o m b e 更加深入地对模型中关键的 神0 o l l 乙l l；乙l 第一章绪论 第三式进行了研究。将羊毛织物中纤维对应垂直织物平面方向、 纤维半径方向和时间变量的含漫量变化奉通过实验得出了近似 回归式。提高了以往模型的计算精度【5 5 儿5 6 1 回归式如下所示， 譬：r 1 一p 胆+ 咫2 钟 其中：肛三昙掣； c 斌x 鼬毒，= f t h 镬嚣t 1 3 t x t ) 1 肚s t 篙筠印删忍一劬 州= 黝筹= 翟怨1 2 譬蝴月耐 d ，：纤维内水分扩散系数 d 产纤维直径 w e ：纤维回潮率， 从以上总结概括可以看出。服装( 织物) 层热攫传递建横研究依赖于 传热传质理论的应用，通过得到系统中热、湿流量方程来 确定各动态参量之间随时间的变化关系以便进一步对服 装( 织物) 层热湿传递机理进行探讨。虽然各模型着眼点和研究角 度并不相同但总的立足点是服装( 织物) 热质传递过程中的质量、 能量、动量三大量的守恒 由于模型对象的多因素共牵连的本质。以上模型对守恒式中 参系数的处理仍然不够糖确多以特定条件下通过实验回归分析 或正反比估算给出为了解决这个难点需要服装舒适性的研究 者们以服装( 织物) 具有多孔介质的本质特征为出发点。利用热量、 质量和能量的传递基本规律，结合纤维、纱线、织物三级结构的 几何物理特性并着重于服装( 织物) 层在吸湿过程发生后的结构 性质变化和环境中环境对服装( 织物) 层热质性能的影响加以考察 ，o。；o；k 0。；-ll ；_ j l l f u j 第一章绪论 和描述 只有这样，能够反映服装( 织物) 层中各种热湿传递现象的较 完善的数学模型才能最终建立起来。进而形成关于服装舒适性的 适用的评价体系，以便更好的指导服装行业的生产和满足人类生 活的需要 1 4本文研究的主要内容 鉴于以上分析。由于服装模拟研究尚没有较完善的理论模型 和较为系统的模拟方法，特选定“微小气候层热湿传递现象计算 机模拟研究”为课题。主要研究以下内容： 1 、从服装具有综合了热阻和湿阻这一本质特性为出发点。建 立能够反映人体一服装之间的微小气候层各种热湿传递现象的 较完善的物理模型，利用热量、质量传递的基本规樟。结合织物 热质传递的特点。建立微小气候层热湿传递的数学模型 2 、以一维圆柱问题为例对所建的模型离散化分析后利用计算 机编程进行数值求解。通过得到相关物理量的瞬态曲线来模拟微 小气候层的熟湿传递过程。并探讨模型的基本特征及其特性参数 对服装热湿传递现象的影响。 3 、利用所建模型模拟多种工况下人体、服装和环境闻的热 湿传递过程。分析各相关因素的影响规律。 0000_i；-l 0 o ；o ；f l 。l ；l 第二章着麓人体燕薯传递过程 第二章着装人体热湿传递过程 的机制模型 2 1物理模型及基本假设条件 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。在人体和环境之间就需要一 种具有调节热量和湿分散失的中间介质，期我们所穿的服装 处予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，而当达到人 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 温以免其继续升高脯着环境温度的升高，显热量所占的比例将 运渐减少，有时甚至出现由外界环境向人俅的逆向传热现象 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有关 图2 - i 为人体、服装和环境问的热湿传递物理模型从图中 可以看出t 人体产生的热量与湿分首先通过微小气候。然后经服 装层传向外部环境在此三层结构中。服装的热湿特性可由热阻 和漫阻来反映，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；、外部环境的熟湿传递过程可按照传熟 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变等复杂过程。且其厚度较小。使 ；o-；。-，-；o-；。-；。ll ；- l ；l f l f l 。l ：l f “j 第二章着艘人体热温传递过程 图2 一1 人体一微小气候一服凝一环境系统 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。 微小气候直接与人体接触，其所处状态是影响服装舒适性的 主要因素f ，有鉴于此，本文将重点以微小气候作为研究对象。 建立其物理模型及数学模型，并借助计算枫用数值分析法模拟研 究这一复杂的热湿传递过程。 作者在模型推导过程中采用的基本假设条件有： 1 、假定微小气候区湿空气为各向同性的连续介质，并满足 理想气体状态方程 2 、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，作者把人体假定为沿径向 一维发热散漫的无限长圆柱体。 本文将依据上述假设条件。 量守恒。质量守恒等基本定律。 应用连续介质分析方法。根据能 结合s t e f e n 质扩散理论。建立微 小气候层湿热传递的温度场及水蒸气压力场分布规律的机制模 型，并将讨论有关工况的初始条件和边界条件，探讨模型中部分 参数的确定方法 矗l 00-j 0；。o_；_j ；o 0 l ； ，l ；- 第二章着装人体热湿传递过程 2 2微小气候湿分传递数学模型 着装人体微小气候中湿分传递是 一个在水蒸气压力驱动势作用下的质 量传递过程，该过程常常伴随着相变 现象，因为湿窑气中水蒸气的分压力 要受到饱和压力的限制，故当湿空气 达到饱和状态时会出现蒸发一冷凝现 象，作者按照内质源的处理方法考虑 这一相变现象。在微小气候中选取 一段长为，：半径为，厚度为办的 简状空气层微原体如图2 - 2 所示- 根据 翻2 2 质量守恒定律对此微元进行分析。在d r 时间内传入与传出微元体的水蒸气质量净 差额减去微元体内的凝结水质量应等于微 元体的质量增量。 即： 入与导出徽 体的净质量 元件内 增量 ii ii ( 2 - 1 ) 下面分别推导式( 2 - 1 ) 中的i ，、i 项的数学表达式：1 、 在d t 时间内，沿径向经r 处圆柱面传出的水蒸气质量为： 觯|0k；_1 0k；_l_|；l 。0 - 乙 。l l 1 0 l i i 、l l i 的t中凝体冷元麓 一、 l 0 。 第二章着装人体热湿传递过程 d m ，= m d d f( 2 2 ) 其中，肼，：半径为r 处单位长度圆柱面沿径向的质流通量。 经r + d r 处圆柱面传出的水蒸气质量为： 翻订，+ 女= 朋，+ 由j d f ( 2 - 3 ) 水蒸气从人体皮肤表面通过微小气候向外扩散，对静坐标而 畜是单方向进行的。根据斯蒂芬扩散定律： 珊r = 等南婴( 2 - 4 ) po r尺z p o 一 其中：p 为水蒸气压力，月为水蒸气气体常数，d 为水蒸气 扩散系数。户口为标准大气压值。z 为绝对温度 任意p ，r 状态下的扩散系数计算公式为： 。， d = d 。7 p or 元7 ，( 2 - 5 ) 其中，d = 1 0 1 3 2 5 b a r ，圪，一2 7 3 1 6 k ，d 口= o 2 2 c m 2 a 将式( 2 5 ) 代入式( 2 - 4 ) 得： m ，= 面2 2 r d 丁o p o 篙詈( z - 6 )批。1 i 两石 在出时间内微元体的净质量交换量为： i = 翻订，一d m ，出 = 朋，i d r r 州，一娑a r ) l a f ：一旦生删f o ， = 斋r 等0 警告p 筹，删f 陋7 ， a ，r z ”1o pa r 7 、 2 、咖时间内，微元体水蒸气凝结质量t l l l l l；_jl；乙 苎兰塞董墨尘坐塑生壁苎监 n = m ，【霭( r 斗a r ) 1 l 一帮t l = 棚，m 2 r d r + r 毋j 2 d r ：m ，2 r t l r d r df ( 2 - 8 ) 注：( d r ) 2 是d r 的高阶，无效，故忽略。 3 、d r 时间内微元体的质量增量t 腰：篓2 ，r l r d r d f( 2 - 9 ) 其中。c 为水蒸气浓度。 由理想气体状态方程得： p v = m r f c = 矿m = 寺( 2 - 1 0 ) 将式( 2 1 0 ) 代入式( 2 9 ) 得： 肛嘉寺，2 ，z l r d r d r(2-11) 由上述质量守恒定律，将式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 及( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 1 ) 并整理得： 毒鲁导r 去等，- m , r = r 要r 寺，( 2 - m r ( 2 - 1 2 )丽石f 丙玎石，万f 万， 其中：r p 分别是r 和f 的函数。即：r m 砂，p 仉砂 进一步化简得z 雾旦【祭蒜堡竽】-mvr=or p o 蚤丢【塑t ( 舞r ( 2 - 1 3 ) r t o x 一p ( r ，d 伢4r 纨，t ) 。 这就是湿分传递数学模型 _ 1 0_-；k。k；0；乙；。k 1 0 ；- 0 乙 ：l ：；- ：l 山j ，厂 j l 乙 第二章着装人体热湿传递过程 2 - 3微小气候热传递数学模型 微小气候区内的热量传递是一个既有导热又有对流和辐射， 同时还伴随着蒸发一冷凝现象的复杂过程。有关对流换热在微小 气候区产生的影响，作者参照文献5 6 ) 介绍的关于有限空间对流换热的计算方 法。折合为当量导热系数；人体与服装 问产生的辐热换热按照空腔与内色壁的 辐热换热进行计算【 】；对于蒸发一冷凝 现象，以内热源的形式考虑。 在微小气候中分隔出一段长为， 半径为，厚度为打的筒状的空气层微 元体，其当量导热系数为 ，比热为c ， 密度为p ，考虑有内热源g ，如图2 3 所示。圈2 - 3 根据能量守恒定律对微元体进行热平衡分析， 在d f 时间内导入与导出微元体的热量净差额加上内热源的发热 量，应等于微元体内能增量。 小翟 下面分别讨论( 2 1 4 ) 中的i 、l i 、 l 、传入传出微元体的净热量 m ( 2 1 4 ) i 项的具体数学表达形式。 ；o；o-；。-；。-；l ，乙l“j o ；- 、l l l 一、 徽量出热导净与的入体，旧 、i l _ 、 微量出热导净与的 入 体， 、 第二章着装人体热湿