（计算机软件与理论专业论文）基于纺织材料的热湿功能仿真系统设计.pdf

基于纺织材料的热湿功能仿真系统设计 计算机软件与理论 硕士生：毛爱华 指导教师：王若梅副教授 摘要 随着科技的发展与人们对纺织品热湿性能要求的不断提高，热湿功能性纺 织品以提供优于传统纺织品的热湿性能而被日益重视和广泛研究。目前该领域 中关于纺织品的热湿传输过程以及对人体热湿舒适性的影响机制已被深入考 察，相应的数学模型也已经被建立，并在不断发展中，但由于模型的复杂性与 求解的繁重性，这些模型还未能有效地构成系统进行仿真。借助计算机技术建 立与实现人体一纺织品一环境仿真系统可以在集成该领域模型的基础上为热湿 研究提供一个高效的仿真工具。 本文的研究目的为设计和实现人体一纺织品一环境仿真系统。在深入研究 热湿功能性纺织品以及热湿舒适领域的模型机制与数学描述方程后，将理论模 型与计算机技术相结合，通过建立有效的工程设计数据流程，构造了人体一纺 织品一环境系统的仿真平台。并运用面对象的方法，将人体、纺织品以及环境 的定义结构化、对象化，为用户提供了友好清晰的操作界面。在将模型的数学 方程求解上，采用了有限体积单元法，将偏微分方程进行离散后再形成矩阵求 解。并且运用可视化方法对仿真数据进行分析和再现，为更直观高效地查看和 分析仿真过程中得到的数据提供了有效的工具。该仿真平台是计算机仿真技术 于热湿研究领域的创新应用。 关键字：热湿传输过程，热湿舒适性，人体一纺织品一环境系统 t h e 咖a l 如n c t i o n a ls i l i m l a t i o np l a t 如瑚d c s i g nb a s e do nt e x t i l em a t e r i a l s 0 3 m p u t c rs 0 b w a r ea n dt h e o r y n a m e ：m a oa i h u a s u p e i s o r ：w a n gr u o m i w i i hl h cd e v e l o p m e mo ft e c h n o l o g ya n dt h cb e t t e rt h c m m lp c r 如r m n c ew h i c h p e o p l cr e q u e s to ft h ec l o t h i n 岛t h et l l e r m lc l o t l l i n gi sp a i da t t e n t i o ni l l c r e a s i n g l ya n d i ss t u d i e dw i d e l yb e c 甜s ei t p m v i d e sm o f ee x c e l l e n tt h e h n a lp e 哟m 啪l c et h a nt h e t r a d i t i o n a lc l o l h i l l g 1 m e d a 强t h cm c c h a n j s mo ft h ct h c 啪it n 璐e fp r o 鹞o f c l o t h j l l g a l l di t si l i f l u e n c c0 nt h ct h c 瑚a lc o i i l 】b r to fh u m 锄b o d yh 勰b n i n v e s t i g a t c dd c e p l y a l l dt h e 胁t h c m a t i l m d e l sd e s c r i b 血gt h c m e c h a n i s m sh a v c b c e nd c v e l o p e da n d 缸ef i l n h e ri m p f o v i n g h o w 眦r d u et ot h co o m p a t j o no fl h c i d e l sa n dt h co n e r o u s n e s so ft h c 幻舢l a t 妣ss o l v 妯gp r o c 鹊s 兜wo ft h e m d d e l s h a sb nj m p h e di n d c c d w i l hl h ch c l po ft h cc o n 甲u l c fl 幽b g y d c s i g i n ga d r c a l i z 血gt h ch u m 柚b o d y t c ) 【i i l c 吒1 w 打o n m e ms i n l u l a t 蠡o ns y s t e mw i l lp r o v i d e 柚 e 彘c t i v cs 劬l a t i o t o o 出b a s e do nt h ei n t e 掣a 6 0 no ft h c 哟d e l so nt h ct h e r 嫩l 雌a “沮丘c l d t h cr c a r c hg o a lo f t h i sp a p e f 趣t od i 酗a l i dr l i 黯t h eh u m 柚b ( d y t e 破i l c - c n v i r 0 姗e ms i m i l l a t i o n s y s t c n a f t c r 筑u d y j n g t h cm c c h a n i s m sa n dt h c m a t h c m a t i c a l l o d e l so ft l l ef i e l do ft h et h e f m a lc b l 【h i n ga n dt h e r 瑚lc o m 硒f t ，a s j m u l a 豳p h t 如珊o fh u 瑚b o d y 玉0 t h i n g - e n v 油n m c n ts y s t e mw 踮d e v c l o p e db y 矾e g 豫t i n gt h et h e o f yn m d c l sw i l ht h cc o m p u t e rt e c h b g y 柚dd c s j g n j i l gae 如d i v c e g i n r 如gd a t an o w t h cr e a u 恐t i o no ft h ep h t 钿皿a d o p t e dt h eo b j e do r i e t c d p r o 掣a m m i i l gm e t h o d ，a n dt h ed e 痂i i t i o no ft h cb o d 品c l o t h 妯g 卸d v i r 0 姗c n th 鹤 b nd 鹊远珊蛆a so b j c c t s 删w j t hs t m d u r c ，w h i c hw m g i v c 丘i e n d l yi m e r 血c c st ot h c u s e r s 曲喇l y 0 nt h ep u r p o s c0 fm a k j l l gu s eo ft l l ee n t 打em t e r i a lp r o p e r t i e sd a t u i i l ， a 1 1t h cd c 丘n i t j o no p c f a t i o n sw e r cl i n l 【e dw i l ht h ed a t a b 蹈e i nt h cp r o c e 醛o f s o h ，i n g t h cn 姒h c m a t i c a l 胁哪l a t i o n s ，t h c 丘n i i ev o l i l m cm e t h o dw 髂印p h c d ，a n dt h c s o l u t i o nw 弱a c h i e v e db ym a t r j 】【a f 【e ra nt h em a t h e m a t i c a l 向m m l a t i o n sw c r c d 却e r s c d i nt h cp o s tp m c e 鹳o f t h i sp l a t f o m ，t h cs o l u t 如nd a t u mp r o d u c c d 证t h e s j m u l a t i o np r o c e 鹳c 跳b cd i 印l a y c dj ng r 印王l i c0 ri n l a g ew a y 硒t oo b s e r v ea d a n a l y z et h es j i i l u l a t 主0 nd a t 衄m o r ce m 斌i v e l ya n ds t r a 逸h t l y t 1 l i ss j l n u l a t i o ns y s t e m 缸ac r c a t i v ca p p l 渤t i o no ft h c i n p u t e rs i i n u l a t i o m l t e c h l o g yi nt h ct h c r m a l r c s e a r c hf i e l d k e yw o r d s ：t i l e r m l t r 锄s 研p m c e 镐，t h 咖1c o m f o n ，h c 墓s y s t e m 引言 纺织品是人们的生活必需品，也是人们生产的重要装备。人们对其性能的研 究不断深入以满足市场对其不断提出的新要求。在具备传统功能之外，当下许多 场所的应用都要求纺织品的某些性能能够特别突出或者具有新的性能。而纺织品 的热湿性能要求最为突出。 从上世纪初开始，人们已开始对热湿功能性纺织品以及其对人体的热湿舒适 性已经展开了大量的研究，在实际工艺设计和仿真模型方面都取得了一定的成 果。通过模型描述热湿功能性纺织品的工作机制可以有效地模拟和分析纺织品的 热湿分布、热湿性能以及对人体产生的热湿舒适性。在研究相关的物理、生理、 神经机制、心理等知识的基础上，纺织品的热湿传输过程与人体热湿调节和热湿 舒适性感觉方面的模型已经建立起来。通过构造人体一纺织品一环境仿真系统可 以在集成热湿传输和人体热湿生理和舒适性方面的模型的基础上，对纺织品的热 湿传输过程和人体热湿调节以及热湿舒适性产生过程进行模拟仿真。而目前这些 已建立起来的模型都为复杂的偏微分方程，需要借助计算机来求解，且模型的参 数定义和集成非常复杂。 将计算机仿真技术应用于热湿功能性服装及热湿舒适性研究领域来实现这 个仿真平台是非常理想的选择。通过有效地整合这个领域中的数学模型为一个流 程化的交互系统，然后在工程设计的基础上数字化实现该仿真平台，将为热湿功 能性服装研究领域提供高效的研发工具平台，也将大力地推进计算机技术在热湿 功能性研究领域的应用和发展。 本课题受国家自然科学基金资助，项目名称“织物热湿传输仿真模型研究”， 编号为6 0 4 7 3 1 3 l 。我们的目标就是在热湿功能服装及热湿舒适性研究的基础上， 利用计算机仿真技术建立一个友好高效的仿真平台。借助该系统，可以对服装的 热湿传输过程以及人体的热湿自调节和舒适性产生过程进行仿真，然后对仿真结 果进行重现和分析。 本文的结构安排为：第一章为绪论，介绍了热湿功能性纺织品及热湿舒适性 研究领域的概念和背景，以及仿真系统的建立。第二章和第三章详细介绍了热湿 功能性服装以及热湿舒适性研究领域的模型。其中第二章为服装热湿传输过程的 机制、数学描述模型及求解方法。第三章为人体热湿自调节过程以及热湿舒适性 产生的机制和数学描述方程。第四章则在这些数学模型的基础上，详细阐述了热 湿功能性纺织品及舒适性仿真平台的功能目标及设计过程。第五章介绍了利用计 算机仿真技术将该平台实现的过程以及功能特点。 第1 章绪论 由于人体的所有生物活动都依赖于温度，人体在不同的外界环境下保持恰当 的温度和水分是十分必要的【1 】。人类生产和生活的进步使得人们对纺织品提出 了更高的热湿性能要求以迎合不同场合的应用。热湿功能性纺织品正是以提供与 传统纺织品不一般的热漫性能，为人们改善与身体接触的外界热湿环境出现的， 其应用场所非常广阔，市场的潜力和需求非常巨大。 目前，越来越多的科学研究者和纺织品生产厂家已经投入到热湿功能性纺织 品的研发中。这个领域的相关研究已经取得很多丰硕的成果，一系列理论模型已 经初步成形并在不断发展完善中，并且其正确性已得到了试验的验证。借助模型 进行仿真运算模拟和分析纺织品的热湿分布和热湿性能可以降低热湿功能性纺 织品设计的复杂性，缩短研发周期，提高研发效率，节约研发成本，带来更大的 经济效益和产品效益。通过计算机仿真技术实现这个仿真平台将首次为热湿功能 性纺织品研究领域建立一个友好高效的软件平台。 1 1 热湿功能性纺织材料 由于人们对衣着健康和舒适性的不断追求，以及许多特殊场合特殊需要， “纺织品生理学”、“高科技纺织品”和“功能性纺织品”等新概念正逐步被市场 所接受，高性能纺织品受到国际市场的欢迎。 熟湿功能性纺织品是高性能纺织品中重要的一个类别，其优异性能表现在与 外界环境传热和传湿过程中有着不同于传统纺织品的热湿性能，如具有透湿、防 水、排汗、速干、保温等特殊的功能。 热湿功能性纺织品有着极大的商业价值和广阔的应用场所。例如，当下许多 工作环境如高温、噪音、海底、太空对人体是危险的，需要具有特别热湿性能的 纺织品来保证人们的生存条件；人们在身体状态不好的情况下，如老人、病人， 其对外界的热湿调节机制不够强时，需要有辅助性材料帮助他们获得正常的热湿 状态，纺织品能否给人体提供一个良好的热湿微环境对排泄失禁或者尿床的病者 也非常重要。此外，人们也希望能够很好地迎合人体的生理调节机制，如运动员 在比赛中将大量的出汗及发热，在一定程度上影响运动员的比赛状态，热湿功能 性的运动服将有助于缓解这一过程使运动员有更好的体能和身体状况。在国防 中，它还可以作为宇航员的宇航服，军队里四季适用的阻寒抗热防雨军服等。 自从9 0 年代中期日本率先向市场推出轻质保暖、吸汗不湿、防雨透气、吸 2 热保温、抗紫外线等多种功能性纺织品面料以来，热湿功能性纺织品由于即保持 了传统面料的优良风格和手感又具有特殊的热湿功能，得到了广泛的应用，具有 强大的发展潜力。 为了满足市场对热湿功能性纺织品的巨大需求，近年来，人们对热湿功能性 纺织品展开了一系列的研究。这些研究主要体现在工程设计和模拟仿真上。工程 设计的研究内容为人们实际设计热湿功能性纺织材料，而模拟仿真的研究内容为 人们在研究热湿功能性纺织品的性能机制的基础上，建立相应的数学描述模型， 通过将模型求解预测和分析纺织品的热湿性能和热湿舒适性，目前，该领域内的 模型研究已取得很大的成果。 1 - 2 热湿功能性纺织材料模型的研究 热湿功能性纺织材料的模型研究涉及到物理、生理、神经生理和心里等多领 域的知识，研究的主要对象为纺织品的热湿传输过程和对人体产生的热湿舒适 度，研究内容主要包括： 纺织品内部的热量和质量的物理传输 热湿信号的神经生理反应 人体的热湿生理调节 热湿生理感觉以及热湿舒适度 纺织品内部的湿度( 液态水或水蒸气形式) 的传输一般包括织物内部的水蒸 气传输，纱线的水蒸气吸附释放，以及由毛细管吸附现象引起的液态水的传输。 m c c h e e b 总结了液态水传输的几种方式【2 】，d t ，v m e s 、m a c k a y 【3 】和w 撕【4 】通 过试验发展了纱线吸收水蒸气二阶段模型。纺织品内部的热量传输，在没有相变 的情况下，其方式包括纱线和空气的热传导，对流以及辐射，它们的平衡方程可 以分别由相关物理定律得到。 这些传统的方程都假定在某段时间内纺织品内部的温度和湿度是相对独立 静止的，而在实际情况中，短暂的瞬间热和湿这两个传输过程在织物内是动态重 叠并互相影响的，目前描述这个短暂交互过程的模型主要有一维偏微分方程描述 模型，阻抗网络模型，以及正在发展中的二维和三维描述模型。 一维偏微分方程主要建立在质量守恒定律和能量守恒定律的基础上，其中分 别应用到f i c k 第一定律以及f 0 u r i e r 的热条件定律。o g n i e w 娩和t i c n 发展了一 个假设热量传导方式只有对流和传导的静态热湿传输模型【5 】。m 0 t a k e f 【6 】建立了 一个仅考虑水蒸汽凝结但忽略了纱线的水蒸气吸收的传输模型。g 她佃【7 】建立 的模型考虑液态水传导和水蒸气对流影响的热湿传输。h c y 【8 】提出了描述纺织 品内部动态热湿传输方程，l 肿在此基础上吸收了f a m w a r t h 的热辐射定律，并 考虑了纱线的水蒸气吸附释放和水蒸气凝结蒸发现象【9 】。近来u 又添加了液态 水的动态扩散过程【1 0 】。这些一维偏微分方程大都分别建立了纺织品内部液态水、 气态水和能量的平衡方程，并且这三者是交互的。其有效数值解法主要为有限体 积法。 关于人体神经生理方面，h e n s e l 【1 】提出了热接收器的概念来描述温度感觉 和相应的人体生理反应。r i n g 和d ed e 盯在此基础上则提出一个数学模型来描 述热接收器如何响应皮肤的温度变化【1 1 】。 人体内部有一个高效的温度生理调节系统，它使得人体的核心温度保持在 3 7 。c 左右，h e n s e l 等人将人体的温度生理调节描述为非线性的数学传感器【1 2 l 。 关于人体生理调节的数学方程主要有两类：身体部位的模型和整体的模型，身体 部位的模型大多由生理学家建立，比较细微但非常复杂。身体整体模型主要有一 节点模型、g a g g e 二节点模型、多节点模型以及多元素模型【1 3 l 。 热湿感觉的产生和其对人体心理产生作用是一个非常复杂的过程，科研工作 者们试图在皮肤的外界刺激和感觉之间建立关系f 1 4 1 。在这方面，已建立的模型 主要有、c b c r 法则( 1 8 3 4 ) ，f c c h 雎r 法则( 1 8 6 0 ) ，s t e v c n 法则( 1 9 5 6 ) 【1 5 1 6 】f 1 7 】o w m g 【1 8 】在此基础上考虑了纺织品动态热湿变化影响的模型。 热湿舒适性的概念最先由h e n l 【1 】提出以反映热湿调节系统的状态，它是 皮肤表层和内部热漫接收器信号的整合。b m g 盯和d cd c 甜【1 9 】将热湿舒适性模 型的类型分为热平衡模型和自适应模型，前者主要代表有g a g g c 等人【2 0 】和 脚r1 2 1 】等人提出的模型，后者主要有h u m p h y 等式【2 2 】和a u l i c i c m 等式 【2 3 1 。w h n g 【1 8 】建立了一个模糊逻辑系统以评估人体最终的热湿舒适性感觉。 1 3 热湿系统的仿真 在人体和外界环境的相互作用中，纺织品是重要的中间载体，纺织品的热湿 性能设计最终是为影响了人体的热湿舒适性。所以为了对纺织品热湿性能及其对 人体产生的热湿舒适性进行仿真，需要建立一个纺织品与人体相互作用的系统。 根据人体的实际着衣状态，我们将人体、纺织品和外界环境构成一个开放的 系统。在这个系统中，人体总是与它的外在环境在物理、生理以及其他的信息获 取方面处于一个交互的状态。人体的热生理调节和纺织品的热湿传输过程是相互 影响的，而外部环境则对二者的活动都有影响。纺织品的热湿传输过程遵循物理 规律，是决定人体生存和舒适的物理条件；身体的生理调节反应以及神经末梢感 觉的反应遵循生理的规律，生理调节和感觉系统对纺织品和外界的生理刺激作出 反应，确保适合人体生存的生理条件，同时将各种影响舒适状态的知觉信号传给 神经中枢：大脑将各神经末梢传来的知觉信号和过去的经历、内心的愿望以及外 4 部的文化影响相对比作出评价和权衡，从而形成主观的热湿舒适性状态。在大脑 得到各种知觉信号形成总体舒适性感觉后，又能反过来通过血流量、出汗、打颤 等途径影响人体的生理状态，这些生理状态的变化将影响纺织品的物理热湿传输 过程。 因此，在这个仿真系统中，参与仿真的对象有人体、纺织品和外界环境。仿 真的内容为纺织品的热湿传输过程，人体的热湿生理调节过程和人体的热湿舒适 性的形成过程。系统需要定义人体、纺织品和外界环境的信息，同时需要集成物 理、生理、神经生理和心理方面相应的模型以完成对纺织品热湿传输过程及其对 人体产生热湿舒适性过程的仿真。 目前，在热湿功能性纺织品和热湿舒适性的研究领域，相关的物理、生理、 神经生理和心理的活动过程已经建立了一系列的数学模型和经验公式，借助计算 机求解，这些模型和公式已有一些数值验证或者简单应用的尝试，但通过计算机 技术来实现的人体一纺织品一环境数字仿真系统还未出现，在国内外还未有建立 在这些模型上的软件系统。而实际上热湿功能性纺织品研发领域非常渴求这样一 个软件平台，因为： ( 1 ) 只有将纺织品的热湿传输过程仿真和其对人体产生的热湿舒适性仿真 结合起来才能不但考察纺织品的热湿性能，同时也考察其热湿性能对人 体热湿舒适性的影响，更好地辅助人们设计出具有良好舒适性的热湿功 能性纺织产品。 ( 2 ) 纺织材料，人体和环境的样本数据众多，尤其是纺织品的种类甚为丰富， 需要借助数据库技术来管理以及提高利用效率。 ( 3 ) 每次仿真前处理过程中需要定义的数据繁多，需要一个易于理解和设置 的界面环境。 ( 4 ) 每次仿真过程中都产生大量的数据，需要一个直观、高效的数据分析平 台。 近年来计算机仿真作为计算机应用领域中的重要内容，其借助高速、存储大 量数据的计算机，对复杂的真实系统的运行过程或状态进行数字化模拟，已成为 了人们虚拟现实的重要手段和方法。 建立热湿功能性纺织品舒适性仿真系统并且通过计算机仿真技术来实现可 以满足目前热湿研究领域内的以上需求，使得该研究领域内的科学研究成果转化 为实际的高科技产品，方便地进行数字仿真和分析，为热湿功能性产品研发提供 一个高效的工具，同时对于计算机仿真领域来说，它也拓展了新的应用范围。 1 4 本文所做的研究工作 本文为受国家自然科学基金资助，项目名称为织物热湿传输仿真模型研究， 编号为6 0 4 7 3 1 3 1 。本文的目标为建立热湿功能性纺织品舒适性仿真系统，所完 成的主要工作有： ( 1 ) 通过学习研究热湿功能性纺织材料和人体热湿舒适性领域内相关模型 的工作机制和背景知识建立人体一纺织品一环境仿真系统所需模型。 r 2 ) 建立人体一纺织品一环境仿真系统的理论模型框架，通过建立光滑的数 据流集成系统模型。 f 3 ) 建立热湿功能性纺织品舒适性平台的软件系统框架，划分功能模块。并 使用面向对象的方法实现热该仿真系统。 ( 4 ) 在该平台进行一系列的仿真试验，将仿真的结果数据与实际试验数据进 行分析对比，验证热湿功能性纺织品舒适性仿真系统。 热湿功能性纺织品舒适性仿真系统的特点有： ( 1 1 将纺织品热湿传输模型与人体热湿生理和心理模型集成为一体，使得不 但可以对纺织晶热湿性能进行模拟仿真，同时可以仿真纺织品热湿性能 对人体产生的热湿舒适性。 ( 2 ) 采用数据库技术，高效地利用现有的大量仿真材料数据，同时更易扩展 新的材料数据。 ( 3 ) 提供友好的叫i ，使用户易于理解和设置仿真过程中所需的大量参数。 ( 4 ) 提供可视化后处理模块，使用户易于分析仿真数据。 6 第2 章纺织材料中的热湿传输过程 纺织品材料中的热漫传输过程是研究热湿功能性纺织品的主要对象。纺织品 的热湿性能在热湿传输过程中是动态表现的，通过研究此过程的机制和原理，可 以考察纺织品的热湿性能在传输过程中的变化趋势和影响因子，进而模拟纺织品 材料在实际环境中的热湿分布和变化情况。 其次，纺织品材料的热湿分布和变化也对人体的热湿自调节过程有着交互的 作用。在人体一纺织品一环境系统中，由于人体的皮肤和衣服的内表面是相邻或 者接触的，纺织品的热湿条件为人体自身热湿调节的外部条件，影响人体热湿生 理的调控，同时通过皮肤的触觉神经，纺织品的热湿情况将对人体产生热湿感觉， 成为影响人体心理热湿舒适性的重要因素。 因此，研究纺织品材料中热湿传输过程是非常必要，它也是后面研究开展的 前提条件。描述此过程的物理机制及数学模型是研究的中心内容。 热湿功能性纺织品研究领域对热湿传输过程的描述方程是从一维静态模型 发展起来的，但是由于静态模型不能描述纺织品实际的动态热湿传输过程，所以 在前人研究的基础上，一个多孔纺织品介质中的一维动态的热湿传输模型已经被 l i 等人建立起来了【9 ，1 0 ，2 4 1 。新模型考虑了辐射、传导、水的毛细管现象、水 蒸气的蒸发和凝结等过程的热传输。模型的建立采用了微单元体积为对象的建模 方法描述水蒸气在液态水和气态情况下的动态分布，而模型的数值解的过程采用 了有限体体积法。 2 1 单层织物热湿传输机制和数学方程 考虑一块纺织品中的单层纺织布如图2 1 所示，其纺织品的内层临近人体， 外层与外界环境接触。纺织品材料的内部结构假设为毛细管组成，这些毛细管是 由纱线形成的纵横交错的孔道产生的。在毛细管现象下，液态水可以从含量高的 地方向含量低的地方流动，该单层纺织布的微分单元中的液态水和气态水的含量 与纱线的成分的关系为【2 5 】： f + 4 曩1 一，( 2 1 ) q ，8 - ，8 ，分别为微分单元中液态水、气态水和纱线的百分含量。 微分单元中的热湿描述方程的假设条件有： 7 纺织品材料在结构和热湿属性上为各向同性。 局部热平衡存在于所有的阶段中，考虑到纱线的尺寸比较小以及流体速度 比较低。 图2 1 纺织品材料中热湿传输的原理示意图 辐射强度的分布角度为常量，而由纱线抵消的辐射可以被忽略。 在纱线的表面以及周围的空气中，水蒸气的含量可以达到稳态。 有液态水存在的情况下，空气和水蒸气混合体可以达到饱和状态。 纱线由吸湿而引起的膨胀被忽略。 液态水的惯性被忽略，由于速度很慢的关系。 强制对流入风袭的影响被忽略。 微分单元中的液态水和气态水动态分布可以用以下方程来描述【2 6 ，2 7 】： 巫。熹f 见塑鲁1 一。，岛r ，+ k ( 2 2 ) j - 。i 面i 磊一j q ，白1 ，k ( 2 2 ) 掣- 号去( 巩) 掣) 1 邑r ，一k ( 2 3 ) 微分单元中的温度动态分布数学方程为2 4 所示 2 6 ，2 7 j 方程中考虑了辐 射，水蒸气的吸收和释放、蒸发和凝结等因素对温度的影响。 q 詈- 去( k o ) 誓) + 警一鲁岬r ，瞧屯+ 铂) 一r 8 公式2 3 中d f ( q ) 为多孔渗水介质中水的传输量，根据毛细管现象和d a r c y 定理，其计算公式为【2 8 】： d 胎，) ：型坐堕：竺盟( 2 5 ) 2 0 3 公式2 4 中v 为布料的动态体积比热，计算方法为： c v = j c “+ 占，c v ，+ s 口c v 口 ( 2 6 ) 如果纱线表面的水蒸气浓度c a 和外表局部空气中的饱和水蒸气浓度c ( ，d 之间存在差异，则会发生蒸发或者凝结现象。当c a c f i ) 时，纱线表面将产生 凝结现象，而当c a c 并且液态水的含量超过蒸发临界值时，将产生蒸发现 象【6 】。有效的蒸发或凝结表面积可以通过以下方程计算f 6 ，2 8 】： s ：i 三l 占，s 。 6 ( 2 7 ) 沪并号 其中s v 为纱线的面积体积比值，为纱线的长度，为纱线的半径。因此 可以得到蒸发凝结的计算公式： k - s ：k ( c 口) 一c 。)( 2 8 ) 公式2 9 描述的是根据第二f i c k 定律纱线在圆柱坐标系统中的水蒸气传输方 程。给定初始和边界条件，在纱线内部沿着半径的方向水浓度。，的分布情况可 以计算机出来【2 8 ，2 9 】。 r ，。等詈即，引 g 在纱线表面任何位置伍t ) 上被液态水或者水蒸气引起的纱线湿度吸收的比 率可以通过两个参数 1 、錾来描述。它们分别定义为 1 = e a e 、錾= e ， 且其和为1 。 在忽略纱线与织物抵消的假设下，热辐射量的计算可以用2 1 0 等式来计算 【9 】。在织物的微分单元中，总的热辐射在左右两个方向上可以分另日记为f r 、f l 拿。一矾+ 卢叩( 2 1 0 a ) 9 粤。舰一卢叩 ( 2 1 0 b ) d 石 多孔介质织物中的有效热传导率k m i x 可以通过2 1 1 式来计算，其中k f a b 潮湿织物中的动态热传导率，可以通过试验得到【3 0 ，3 1 】，为水的热传导率。 k 。= q 蜀+ b 。+ s ，皿脚 ( 2 1 1 ) 2 2 模型方程的数值求解 关于织物材料中的热湿传输模型，其数学描述方程为一组偏微分方程。在 计算机上对该过程进行数字仿真，必须先对其进行数值求解。根据偏微分方程的 求解步骤，须先设定其解的边界条件以及初始条件，能后对离散后的方程开始求 解。 2 2 1 边界条件和初始值 前面已假定在多孔介质的织物材料中，纱线的表面及其周围的空气之间存在 局部的的吸附平衡，因此，纱线的吸湿过程的边界条件可以设定为：在纱线任何 位置和时间的坐标( x ，t ) 上，有着等式2 1 2 的关系【3 2 】。 c ，b ，r ，f j c 自一，( 尺0 ，f ) ，r o ，f ) ) ( 2 1 2 ) 其中r h m 为描述吸湿性属性不同的纱线的吸湿过程等温线的函数，是通 过试验得来的【3 3 】。 同时假定，纺织品材料最初和人体的皮肤和外晃的空气环境已处于平衡状 态，表现为纺织品材料的温度和水蒸气的浓度线性分布在r r s k 0 ，c s 如) 和c r c m n c e n v 中间。 在织物的边界( x = o ) 位置上，其与液态水接触和非接触状态下的边界条件可 以描述为【3 4 】： 织物与液态水非接触状态 1 0 r ( o ，f ) 一( 1 一碗( o ，f ) + s 。叩4 ( o f ) 织物与液态水接触状态 c 。( 0 ，t ) 一c 留) q ( o ，f ) 一1 一s ， k 驾。 。口一l ) b ( 0 ，f ) 一( 1 一s 。波( 0 f ) + s 。叮4 ( o ，f ) ( 2 1 2 a ) ( 2 1 2 b ) 在织物的边界( x = l ) 位置上，其边界条件考虑了织物与空气的对流，描述为 以下等式： d 。垩掣k ；一 。，( c 一巳，) d x k 。要l ；。瑚，( r k ) 一r ：彻k ( c 口) 一c 。) 唧 d j n 詈i 。- 一r ：k ( c + 仃) 一c 。) e 伍，f ) 一( 1 一毛) 略( 工，f ) + s 。叮仁，f ) ( 2 1 3 ) 在( x = l ) 上水蒸气和液态水的质量传输比率分别标记为m 1 = e ) 和( 也= e l 曲。 2 2 2 数值求解 在这组偏微分方程的数值求解过程中，方程的离散化方法使用了有限体积 法，有限体积法的离散做法为将计算域划分为一系列的正交网格，由于其寻求的 为函数在网格上的近似解，故不考虑解在网格之间的变化。有限体积法对每个网 格节点周围取一个控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得出 一组对应微分方程的离散方程。有关这组方程的具体的离散过程，其细节可参见 文献 2 4 ，3 5 】。 在织物厚度l 方向上，将其分成大小相同的( n + 1 ) 份个控制单元，每个控制 单元由不同体积比的液体水和气态空间( 气态水蒸气和空气) 组成。 1 1 e 一、。， 虹 瓦 k 留 “ 譬岫乱 一以k 一， 曰：+ 1 c j “ d ? + 1 e ? “ ，? + 1 谢胪导 掣旷等垂_ 岛r ，w ：r ， k 设。，。，a r2 ，巩1 ，”2 ，+ 。 应用全隐法，模型的数学方程最后的离散方程可以得到： 一告( c 瞄+ ( z 告+ - ) ( c z “一告( c r ： ：矗气e + 0 ( e k e ( c 钾) 一( c 。e ) 一最血( r ，) ： 2 。1 4 ) 一嚣b ，e ：+ ( z 嚣+ - 卜) ：“一盎g ， ： 蝴一址嚣( s 。帖( c 田) 一圳喃缸( r ，i 爿? “z 嚣+ 口；“噶1 + c ；“巧“+ d ? “2 胃+ e ；“z 嚣一吖“ 一麟，2 一“缸：卢：虹。+ 腰坤+ 以，) 。一8 即钾r 缸z ) 。( 3 + 缸：卢：x 斌，+ 斌。) 一l 卵。钾r 缸2 + m ( c ，) ( 2 + 缸2 芦2 ) 一昭+ 缸：卢：虹，+ 麒。+ 以，) 。一即。钾r 缸：) - 瞄 蛳。艰，一2 ( c ，) ，f + ) 一2 4 芦出2 钾r h ，一吖) z 叫叫科中：) ( 2 1 6 ) 其中 ( r ，) ：岳z ( 。乏“，) ：( ( + 去) ( c ，l 。一2 ( c ，l + ( 一去) ( c ，) ：一。) ) ： c 2 力 麒，一三忙。) ，+ 伍。) 川) ( 2 1 8 ) 方程2 1 7 中x ( ) ：为求平均值运算。 在以上离散方程的基础上，可以分别求出( c 。) ：，( q ) ：，田) ：的值。由于每个 离散方程实际上是描述所有控制点的一组方程组，其求解时，可以在方程的左右 两边分别构成系数矩阵4 工一口，以后以解线性方程组的方法求出解。但具体 1 2 迭代求解时，可以根据系数矩阵的特点，应用不同的求解方法。 离散方程2 1 4 和2 1 5 以及2 1 7 的左边系数矩阵都为三对角方程组的矩阵， 因此可以应用追赶法来求解。其左边的系数矩阵为： 彳互 口6 离散方程2 1 7 由于其左边系数矩阵的元素较多，可以使用g u a 鼹消元法。 进一步为了保证解的不发散，可以选用g u 鸽s 列主元消元法来求解。左边左边系 数为： 爿 4 l l口l ，2 4 2 j口五2 4 ，1口j ，2 4 _ 1n ，2 口1 j 4 2 口j 上 口 上 口1 - l口h 乜2 1口2 月 4 ，d4 加 口 月一l口 模型的数值解法的流程可以描述为图2 2 所示： 6 6 口 口 口 厶 图2 2 热湿方程数值解的流程图 2 3 多层织物热湿模型 在单层织物以考虑了防水膜影响的热湿传输模型的基础上，可以发展更为复 杂的多层织物热湿模型。多孔各向异性的多层织物的热湿传输过程的机制类似与 各项同性的多孔单层织物【3 6 】。热量可以被传导和辐射过程传输，也可以被织物 内部发生的吸湿或者蒸发凝结等相变过程产生。在织物的内部空隙、纱线的内 部都将发生传湿现象，同时也可以发生在吸湿或蒸发，凝结等过程中。在各项异 性的织物热湿模型中，需要重点考虑的是每层织物中不同纱线的影响，以及相邻 层中的热湿传输交互的过程。图2 - 3 为一个n 层各向异性织物的热湿传湿过程原 理图。对于多层各向异性的织物系统中，每层织物的热湿传输模型与单层各向同 1 4 性织物时的热湿传输模型是相同的。 内 ，蒙 莩境 内边界环境外边界环境 图2 3 多层各向异性织物的热湿传输原理图 多层织物系统中要涉及的结构信息有，织物的几何特征，不同组成纱线的物 理属性，层之间的关系等，这些信息可以表示为： ( 1 ) 多层织物中的各层织物：1 ，i j 2 ，l 丑) ( 2 ) 相邻层之间的左右空隙的厚度分别表示为加和l i l ，在最内层的，o 和最 层的一分别表示两侧的外界自然环境。其余的有着如下的关系： f ( j 1 ) o f n( 2 f 一)( 2 2 5 ) c o m a n t i i 咖u t 用来描述层内( 外) 侧与相邻层的接触状态： 。 乞二托渤小叫仁2 s ， ( 3 ) 对于有超过一种不同纱线构成的织物，使用含量百分比f t i 表示每种纱线 t i ，t n 为每层中纱线的种类数。 ( 4 ) 对织物中每种纱线t i 的物理属性p t i 求其平均值得到织物的纱线整体物 理属性值p 。 f 2 荟厶p “b 2 ) ( 2 卸 因此，在前面假设以及单层各项同性织物热湿传输模型的基础上，多层各项 外 部 j 沭 境 异性织物的传输模型可以被得到。 对于多层织物中的每一层，其热湿传输模型为： 掣= 亡静掣卜鹤佤 仁2 8 ， 掣；矧差厶啡，掣小岛- ，也 亿2 9 ， 瓦詈z 去( 瓦b ) 嗣+ 鲁一鲁吩，瓴五屿五) _ s r( 2 3 。) 在北2 9 中薹矗k ( 掣) 谢算单位面积内具有不同毛细能力 的纱线的液态水的传输。( d 1 ) ) t i 为纱线t i 中的液态水的扩散率，可以通过以下 公式计算得到： q ( q ) 。型盟塑盟( 2 3 1 ) 2 ( 切3 而瓦，a ( v j ) ，k m 则分别为平均体积比热，平均吸附热以及平均传导率。它们 的计算公式分别为： 瓦昌巳c “+ ，瓦，+ s 。c ，。 瓦，；意厶( c ，l g 3 2 瓦) = 善 瓴川l ( 2 3 3 ) k 妇一l k i + s j 重f + l k 4 弓。艺厶k ，l 仁3 4 动态吸湿率r ，和平均纱线水含量矸0 则可以表达为： - ，一州斟) g 3 5 ) ；酬捌如l 锹】 1 6 露一薹 眈l 乓，壁，l 4 荟 谶 动态流体蒸发凝结率决定于液态水在织物中传输能力的分布，可以表达为： 冗= 薹帆h l ) ( 2 3 ，) 而热辐射则为： 拿。一矾+ 劢 d x 单。- f l 一百积| 万掣t 万2 善厶成 f 2 荟厶吃 一厶( s ，k 盯- 1 ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 相对于单层织物的热湿传输模型的边界条件，多层织物的模型的边界条件要 较为复杂，因为其要考虑纺织品系统内部织物之间的边界条件，也要考虑在纺织 品系统边界上的织物的边界条件，并且每层织物都有可能会加上防水膜，所以边 界条件要考虑的情况比较复杂。根据织物之间的接触不接触和加不加防水膜的 情况，多层织物模型的边界条件为： 1 7 表2 1 每层热湿传输模型的边界 鬻震鬻 獭群 见! i 叫+ 月_ ( c 。一) 。o 嘏i ，棚 囊鎏簌嚣 溅 n q 刮。+ 弘k c ) - 。 ( 2 4 1 a ) i 篓差蘩 _纂震i k n 矧：。哦训+ 九缸( c ”- c ) _ 。 。掌黝艇2 虹l ) - ( c 。屯) 二薹溪 髫i 粼； j 0 = s ，0 占 ( 2 4 1 b ) = 。囊 e 乱+ 誓圳一。 纛骥 麓 一见划+ h 。h ) o 血i 州 弹嬲。 j 。 咱d ，剖。+ 缸h _ c ) 。 ( 2 4 2 a ) 懑鬻 一k 烈+ h 。q 埘一o ) + 誓( c 1 一c ) - o “ “ 一一 蠢 划“。c 1 1 ( c ) ( c 1 ) 渗攀 抖。e ，l j ( 2 4 2 b ) _ 一 k 矧。+ 鲁一矗) - 。 “ 第3 章人体热湿生理模型与热湿感觉模型 研究纺织品的热湿舒适性能的理论基础除了要知道纺织品自身的热湿传输 过程的机制，还得研究人体自身的工作机制，这方面需要研究的内容有关于人体 在不同外界环境中热湿生理调节的机制和模型，还有关于人体产生热湿感觉的工 作机制和模型。 3 1 人体热湿生理模型 人体几乎所有的生物活动都要受到身体温度的控制或者影响，所以在不同的 环境温度下，人体必须能够找到解决由外界温度引起的各种问题，使人体的温度 保持在可接受的最佳状态下。因此，人体自身必须有一个能够调节身体温度的生 理机制，使身体适应在各种不同的外界环境中。 g a g g c 在【3 7 】【2 0 】提出了一个能够描述人体自身温度调节机制的模型，即二 节点模型。它将人体简单地分成皮肤和内核两个概念层，内核为人体自身的根本 温度，皮肤则是人体与外界环境的交互的媒介。对于人体的热调节机制，二节点 模型认为人体为两个互相合作的子系统，一个为被动系统，另一个为控制系统。 被动系统描述了人体和周围环境之间的热平衡，一般表达式为： s m e 。一c 。一e 矗一r c 一( 3 1 ) 人体在内核点上的热平衡方程可以描述为： s 。一m e ，。一c 。一一( 置n + c t ，一l ) c 。= o 0 0 1 锄f 【3 0 7 6 一z | 鲫j ( 3 2 ) e ，。= 1 7 3 x l o 一5 f ( 5 8 7 1 0 3 一f k ) 其中m 为人体新陈代谢活动产生的热量，e 一为人体呼吸活动带走的热量， c 一为人体呼吸的潜热值，僻一+ 。曲r ) 以一疋) 项为内核与皮肤间血液流动 产生的热量。 人体在皮肤层上的热平衡方程为： s 砖一( 足皿i 。+ c ，h y 0 ) ( t 0 一z k ) 一e 娃一只一c( 3 3 ) 1 9 e 址= e 甜+ e 。= h e 。一v 睹吃( 曲一巴。) r 为皮肤向外界辐射的热量，c 为皮肤跟外界对流散失的热量，e 。为皮肤 的蒸发带走总热量，包括汗液在皮肤表面扩散带走的热量上耐与汗液蒸发带走的 热量也一。w j n ge f 目e 【1 8 】为了能够计算纺织品动态热湿传输对皮肤的影响，将 也n 的的计算改进为： e 啦= es h + e 出u b 4 、 其中e “为被纺织品覆盖的皮肤蒸发损失的热，e t ”为未被纺织品覆盖的皮 肤部分蒸发损失的热，这两部分分别计算如式3 5 所示，其中n 为纺织品覆盖 人体皮肤的百分比。 皮肤表面与水不接触皮肤表面与水接触 。p 肛屿)( 3 5 a )k k 半( 3 5 b ) e = ( 1 一p ) ( e ，+ e 口) e 一er ， b u r l c y we h 【1 8 】对二节点模型另一改进则是计算干热r d 的部分，即通过 辐射( r ) 和对流( c ) 损失的热，类似与丘n 的计算，d r y 的计算式为： 皮肤表面与水不接