（服装设计与工程专业论文）静止状态下服装热湿传递模型的研究[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

! ! 室塑茎堂堕! ! 堕塑堡主婴壅竺兰些丝苎 am a r i 皿 m a t i c a lm o d e lo ft h e r m a l a n dm o i s t u r e t r a n s p o r t a t i o no fg a r m e n t si ns t a t i ce n v i r o n m e n t a b s t r a c t t h e r m a la n dm o i s t u r et r a n s p o r t a t i o no fg a r m e n t si so n eo fi m p o r t a n tf a c t o r s o ng a r m e n tc o m f o r t a b l ep e r f o r m a n c e ，a n di tr e l a t e st ot h ef a b r i ca n ds w l eo f g a r m e n t s i nt h i s9 a p e r ，w ed e f i n e da p p a r e l so p e n i n g f i t n e s sa n dc o v e r i n gr a t e ， w h i c ha r eu s e dt od e s c r i p ea p p a r e ls t y l e t h e s et h r e es t y l e sp a r a m e t e r sa n df a b r i c t h e r m a lr e s i s t a n c ea r er e g a r d e da se f f e c t i v ef a c t o r so fg a r m e n t st h e r m a lr e s i s t a n c e t b ys e l e c t i n gs i xk i n d so fw o v e na n dk n i tf a b r i c sc o m p o s e do f d i f f e r e n tf i b e r , w e t e s t e dt h et h e r m a lr e s i s t a n c eo fg a r m e n t sw i t hd i f f e r e n to p e n i n g ，f i t m e n s sa n d c o v e r i n gr a t e m e a n w h i l et h i sp a p e ra n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e t h e r m a l r e s i s t a n c eo f g a r m e n t s a n d s t y l ep a r a m e t e r s f a b r i cp e r f o r m a n c e b a s e d o n m a t h e m a t i c sa n dc o m p u t e rk n o w l e d g e ，t h i sp a p e rh a sm a d ea m a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h e r m a la n dm o i s t u r et r a n s p o r t a t i o no f g a r m e n t si ns t a t i ce n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：t h e r m a la n dm o i s t u r et r a n s p o r t ，t h e r m a lr e s i s t a n c e ，o p e n i n g ， f i t n e s s ，c o v e r i n g 原创性声明 y8 5 9 3 4 0 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：眵香吸首 签字日期：上归石年多月 日 学位论文版权使用授权书 学俜论文作者完全了解j ：京服装学院有丢像鲁抽r 萨i 习学位；仑文的规定d j - 伊宄生诒。校攻读学位期间论文工作的知源产权单位擒：b 京服：疑学院二学校有椤 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 矽永贿 导师签名 签字日期：2 j “年月f 日 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 剐吾 随着科学技术水平和社会生活的发展，人们对服装舒适性、审美性的要求越来越高， 依据服装的这种变化与发展，围绕人体、服装、环境之间的相互关系，引入工效学的研究 原理方法和成果，构建服装工效的研究体系，拓展研究领域，已成为服装发展的必然。 服装工效学发展初期，服装的保暖性等热性能是其主要的研究对象和内容，到五、六 十年代合成纤维制品开始大量应用，针对使用中常出现的闷热感，热湿舒适性的研究成为 了这学科的另一重点。7 0 年代人们主要通过建立某种测试装置或仪器，测试某一指标 作为评价服装穿着舒适性的依据。7 0 年代后，人们逐步认识到人体、服装、环境是一个 不可分割的系统，因此人们开始对服装的热湿舒适性重视起来。早期由于技术条件的限制， 人们只能对服装热湿性能的主观感觉通过真人实验的方法进行评价。但该种方法受人的主 观因素影响很大，甚至严重影响实验结果。后来，随着科学技术的发展，人们研制出模拟 人体的暖体假人，通过假人可以测得服装的热湿性能。但由于暖体假人及人工气候室价格 昂贵，使该种测试方法的推广受到很大的限制。因此国内外不少学者开始致力于热湿传递 模型的建j ) = ，因为它既司。以对各种服装的传热传湿性能进 j 二研究，又可以不受条件的限制。 北京服装学院2 0 0 6 届硕+ 研究生毕业论文 1 1 织物与服装的热湿传递 1 文献综述 11 1 织物与服装热湿传递性研究的发展历史 “衣、食、住、行”作为人类生活的四个基本需要，衣处于首位，它作为人类特有的 生活习性，是构成人类生存与文明发展的基本要素。服装随着人类的发展而发展，不同的 历史时期就有不同的服装，所以说服装是人类文明的窗口，是探知社会变迁的轨迹。近年 来，随着人们生活水平的提高，对服装的审美效果、实用工效、适体性能的要求也越来越 高，这也为服装行业的发展提供了广阔的发展前景和空间。 一些研究者认为服装是人类为了适应外界环境而产生的，也就是我们所说的人体保护 学况。传说复帝的妃子发明了养蚕、织锦，从某种意义上讲，我国在服装傣口造方面处f 世 赛领先地位。远古时期的人为了对付第四纪冰河期的寒冷开始使用毛皮衣物；而生活袖一沙 漠地带的民族，为了防止人体水分的蒸发，其服装是把衣料从头到脚都遮盖起来。虽然在 很多年前，人类就知道用服装来抵御外界环境的变化，但人们真正认识到并丌始建立服装 丑生学这门独立的学科却只有4 0 多年的历史。二次世界大战中，各幽士兵都经历极端 低温和高温等恶劣环境，这就使人们进一步认识到了服装在舒适感调节方面的重要性，于 是各国开始研究人与服装、环境的关系【2 j 。 随着人类涉足生存空间的范围不断扩大，人们所接触到的环境越来越严酷，因此在一 定的理论基础上开发具有特殊用途和功能的服装，以适应恶劣环境及提高工作效率就显得 尤为重要了。同时随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，现代人要求服装不仅是一 种能表现自我、释放个性的载体，更应该是维护与促进健康，调节心理情绪的有机体。所 以，基于这样的市场需求，设计师有必要从服装的服用舒适性角度去重新认识设计的拓展 空间及各种制约因素，使设计更符合舒适卫生需要，满足消费者的需求。服装科学的研究 者们则应该更进一步的对服装舒适性的理论和实际应用进行研究，深入研究纺织品结构与 舒适性的关系，指导开发出热湿舒适性优良的服装，为设计师提供更加可靠有力的理论依 据。 北京服装学院2 0 0 6 崩硕士研究生毕业论文 目前，服装舒适性通常是指心理上的舒适和生理上的舒适。心理上的舒适包括色彩、 款式和对某种场合穿着的适合性；而生理上的舒适包括热湿舒适性、触觉舒适性以及服装 的适体性等。它们各有所重又相辅相成。因此，现代理念上的服装已成为综合性科学或交 叉科学。服装在工程学方面与人体解剖学、工艺设计学、材料学、形态学、卫生学、物理 学、数学及运动学和产品设计学等有关。其中服装的舒适性则成为涉及到人服装 环境这一相互关联系统的主要问题。1 3 1 1 1 2 织物与服装的热湿传递介绍 服装是人的第二皮肤，服装是否舒适对人的健康有着很大的影响。在人一服装一环境 系统中、，人是该系统的核心。狭义的服装舒适性是指人体生理上的舒适性。生理舒适性又 包括温湿度舒适性、接触舒适性与适体舒适性等f 4 1 。在以上三种生理舒适性中，服装的温 湿度舒适性是最基本，最核心的问题。 在分析人体热平衡状态时，我们需要先分析一下人体产热及放热过程。人是一个发热 体，其产生的热能总的要求是保持体温恒定。人体的产热显决定服装隔热值和透湿值及其 他服装舒适性能的基本数据。人体热能来自于食物摄取，物中的糖、蛋白质、脂肪在体 内经过一系列的生物化学和生理学变化，一部分形成机体组织，一部分以生物化学能的形 式储存于体内。储存j 二体内的部分有的转变为人体所需的能量，而大部分热能散发到体外。 即进食量= 能量储存+ 做功输出的能量+ 体热散失。正常人安静状态时，由于机体可以进行 体温调节，保持体内外交换的平衡。热量在人体、服装和环境之问通过辐射、传导、对流 和蒸发等途径不断散发到周围环境中去。人体与环境之间的热量交换呵分为两部分，部 分是由于环境问的“温度差”所引起的热量交换，另一部分是出于环境间蒸汽压力或水蒸 汽含量所引起的身体能量交换。从人体流向环境的热量，或从环境流向人体的热量主要有 如下几种途径：传导、对流、辐射和蒸发。表l 综合了这几种途径和相关的环境、服装和 ， 人体因素。 在高温环境中，人体也可以通过辐射和对流方式，从外界环境中获取热量，因此人体 总的热负荷可能超过散热量，体热蓄积，体温上升：在寒冷的环境中，若服装保暖洼很差， 人体可能散热过多，产生体热亏损，体温下降。不难想象，当环境不能改变、人体又不能 通过自身调节达到人体热平衡时，服装作为人体与环境的中间体就起到了热平衡调节的重 要作用”】。从生理学角度来看，服装的主要作用是进行体温调节，使人体在与环境的适应 过程中处于平衡状态。不论是外部环境气温高低，通过服装的调节应使身体表面的微小气 北京服装学院2 0 0 6 屑硕士研究生毕业论文 候处于适宜的状态。 表1 能量传递的途径和涉及的因素 途径环境因素服装因素人体因素 传导温度差材料或空气层的热阻人体表面温度 对流气温和风速丌口处的紧密程度暴露部分与穿衣部分的 比率；表面温度 辐射表面温度和空气温度辐射率、表面温度暴露部分与穿农部分的 辐射率等比率；表面温度 蒸发空气中的水蒸汽压力或水蒸汽扩散的阻力；透湿表面温度和受湿面积 温度和相对湿度指数；服装受湿面积 此外，服装的舒适感不仅取决于人体的生理状态，还与着装者的心理状态有关。所谓 心理上的舒适性是指使人在心理上对某些希望和要求达到满足。而服装对人体心理舒适性 的影响主要集中在服装颜色、款式等因素。 一般来说，自然环境和社会环境都能对穿着舒适感产生影响，目前对环境因素的研究 主要集中在自然环境方面。一般认为，气温、湿度、风和太阳辐射是组成环境气候的四项 基本要素，它们的共同作用埘人体产生影响气温的表示方法般有摄氏温度、毕氏温度、 绝列温度三种。湿度一般司用水气压、绝对湿度、相对湿度、露点温度表示。风的特征参 数包括风向和风速，它对热量和汗汽的传递有重要影响。大气上界的太阳辐射热能，包括 红外线、可见光和紫外线三种，其中红外线的作用最大。 多数情况下，环境并不能直接作用于人体，而是通过服装间接地作用于人体。而与人 体直接接触的是服装和人体皮肤表面之问的微小气候。【4 增日装内的微小气候是指人体在穿 着适当的服装时，人体与服装之问形成的与外界气候不同的特殊的局部气候。j 义上，它 是指人体皮肤与最外层服装表面之间所形成的空气层。包括空气层的空气温度、汛度和气 流分布，甚至包括微小空间内空气的成分等。狭义上，是指人体皮肤与最内层服装之削的 空气层。当穿着适当服装并感觉舒适时，人体与服装之间微小气候的温度约为3 2 。c ，相 对湿度约为5 0 ，气流几乎静止，即小于o 2 5 m s ，这就是所谓的标准气候。【6j 舒适的服 装微小气候需要具备如下条件，即在寒冷的环境下，能抑制人体传导、对流和辐射散热， 并能吸收外界的辐射热，适当蒸发；在炎热的环境下，能促进人体传导、对流和辐射放热， 遮挡外界的辐射热，能促进蒸发散热；同时还要具有适当换气功能，以免皮肤呼吸排出的 二氧化碳浓度过高而产生不适。总之，环境对人体舒适性的影响程度很大，所以需要通过 服装的作用使人体达到舒适范围。 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 1 13 织物与服装的热湿传递研究的发展现状 服装和织物的热湿传递性是服装研究的主要内容之一。人们对纺织材料和服装的热湿 传递性能的研究已经进行了几十年，在服装舒适性方面也取得了大量的研究成果。在这几 十年中，国内外致力于该方面研究的学者们在舒适性机理、测试仪器及实验方法、生理和 心理因素、环境条件、纺织品与舒适性的关系等方面进行了大量的研究工作，并确定了多 种衡量织物和服装热湿舒适性的评价方法。早期的热湿舒适性评价主要是通过人们的主观 感觉，受个体主观影响较大，而且许多因素难以定量测量。所以，研究者们多采用定性或 定性描述的评价方法f 3 】。1 9 2 3 年，y a g l o w 提出了感觉温度指标，并得到了感觉温度图口】。 接着，l f b o s e n 提出了不快指数e 8 1 。1 9 4 1 年，g a g g e 等人提出了克罗( c l o ) 这一服装热 阻的单位，用来评价服装防寒隔热的性能【9 】。1 9 6 2 年，a h w o o d c o c k 提出用服装透瀑指 数( i m ) 作为评价热气候条件下穿着舒适与否的标准。2 0 世纪6 0 年代，著名生理学家 g o l d m e n 把服装的热阻和透湿指数结合起来，提出了服装的蒸发散热效能指数，并建议用 热阻、透湿指数和蒸发散热效能指数作为服装的热湿舒适性物理指标，来制定不同气候条 件下的着装标准。6 0 年代末，f a n g e r 建立了热舒适方程，把人体、服装和环境i 卜方面 的六个要素考虑进来做成了舒适图f m l 。7 0 年代；研究者f f j 设计了各利，测试装置或仪器来 评价服装穿着热湿舒适性。7 0 年代后期，人们逐步认识到入、服装、环境是一个不可分 割的系统，并开始在生理学方法、人体穿着实验方法和仪器模拟实验方法的基础上，采用 计算机模拟技术对人、服装、环境之间复杂的热湿交换过程进行精确的计算。2 0 世纪8 0 年代后，人工气候室和暖体假人开始弓l 入到服装研究领域，为服装热湿性的研究提供了良 好的研究条件。1 2 j 1 2 织物和服装热湿传递模型的发展现状 1 ，21 织物热湿传递模型的发展现状 人们对热湿传递模型的建立首先是从织物开始的。由于织物是由纤维和停留于纤维内 部或纤维与纤维之间的空气组成的，空气是以空隙的形式存在于服装中，所以织物的热湿 传递眭能可以说是由空气的性质、纤维的性质、自身的组成结构共同决定的。水汽大部分 是通过停留于纱线与纱线间的空隙、纱线中纤维与纤维之间的空气进行传递的。因此在服 装织物的热湿传递过程中，需要考虑到的物理现象有：1 ) 织物表面的吸附及反吸附作用； 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 2 ) 自由水的凝结和蒸发；3 ) 液态水、汽态水、吸附水的扩教；4 ) 层与层之间的热传导 和接触阻力。 目前，用来评定织物热湿传递性能的指标主要有1 9 4 1 年a r g a g g e 等提出的服装热 阻、将服装( 织物) 的传热过程看成是一维热传导的导热系数，1 9 6 2 年a h w o o d c o c k 提出的透湿指数和湿阻。除此之外各园学者在热质传递的基础上也建立了很多织物的热湿 传递模型，主要有热阻湿阻组合模型、对流模型和热湿耦合模型。 1 2 1 1 热湿耦合模型 】、h e n r y 的热湿耦合模型 1 9 3 9 年，t l e n r y 博士从孔隙间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和传递系数，在忽略某些次要因素的基础上建立起一个热质传递i f 衡方程方程。 这个模型以单位面积，厚度为d x 的织物单元体为研究对象。他在第二个方程中假设 硝：织物内部空隙中，空气与织物是保持热平衡。这两个方程需与第三个方程联立才能解。 h e n r y 提出了一个假设c f 与t 、c a 成线性关系，并认为在边界处纤维达到r 熟平衡。但 i ! 、模型与实际情况相差较大。 2 、n 0 r d o n d a v i d 热湿耦合模型”2 l 2 0 世纪6 0 年代末，澳大利亚c s i r a 羊毛研究实验室的n o r d o n 和d a v i d 他们以h e n r y 的模型为基础，并考虑了纤维吸湿的两阶段性，提出了纤维中吸水量变化的实验关系式， 建立了较为全面的模型，但他们的模型需要进一步考虑纤维的吸湿和放湿过程，以使其更 符合实际的边界条件。 3 、l iy i 的热湿耦合模型一个主要应用于毛类织物的新型数学模型 1 9 9 3 年，香港学者i 。iy i 等考虑了h e m y 和n o r d o n d a v i d 的模型，并加入了d o w n e s 等验证的纤维吸湿速率的两阶段性，提出了改进的数学模型，应用于毛类等吸湿性强的织 物。对于化纤类等吸湿性卅i 强的织物，他认为可以不考虑织物的吸湿两阶段性，即纤维的 吸湿一直符合费克定律。 该模型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蚓的 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的解释了吸湿性 织物与出汗皮肤接触时所引起的冷感。模型中的热质守恒前两式与h e n r y 模型的相同，但 摒弃了h e n r y 模型中关于两者立即达到平衡的假设，给出了纤维含湿量的变化速率与周围 空气相对湿度和纤维水分活度之差的指数关系。他所提出的纤维吸湿速率的方程为： 6 北京服装学院2 0 0 6 届硕十研究生毕业论文 = 上= ( 1 一玎) v l + 2 ( 1 一1 ) a f v 1 为第一阶段的吸湿速率，v 2 为第二阶段的吸湿速率，n 为第二阶段所占的百分率， v l 用c r a n k st r a n c a t e ds o l u t i o n 求得： v 1 = a 2 + c l ( x ，) + a 1 庐( x ，+ 1 )( 1 2 ) 第二阶段所占的比例n 可根据纤维中含水量和到达平衡的时间t 。来确定。 该模型应用复杂的热学性能及纤维吸湿特性，通过数学计算方法解得服装织物传热传 湿模型。该模型的预测值与实际值有较好的吻合性，但由于方程自身的缺陷，使得计算繁 琐，并且没有清楚的物理意义。所以，1 9 9 8 年后他们对上述模型进行了改进，提出个 近似回归方程来表达毛类纤维两阶段的吸湿性。经检验该模型能更好的与实际相吻合，提 高以往模型的的计算精度。但该模型中纤维两阶段性的吸湿速率的计算式足建立在实验数 据基础上的归纳式，没有进一步得到其物理本质，并且还受实验条件的限制。同时该模型 对服装结构进行了简化，一些重要的结构因素没有考虑进去，因此其应用范围受到一定的 限制，有待丁二进一步的研究。 1212 对流模型1 1 9 8 3 年澳大利亚的j m s t u a r t 和e e d e n b y 研究了以风为卡导因素的服装( 织物) 层 热湿传递现象，并根据织物的透气性大小将其分为a ) 透气性大时，绕过人体的气流带动 微小气候和环境问的热质交换和b ) 透气性小时，整个系统中以扩散为主的热质传递。同 时给出丁透气性大时通过织物的热、湿流量的近似计算公式。 121 3 热阻、湿阻组合模型” 1 9 8 6 年f a m w o r t h 博士从系统的角度出发，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 m w o r t h 将不同纤维种类、厚度的 各种织物对热量和湿的阻挡或缓冲作用分别用统一的变量热阻、湿阻表示。但该数学模型 将多层服装分为平均的几层，每层厚度均等，没有考虑水汽吸收的复杂性及纤维吸湿的阶 段性，简化了纤维吸湿速率的计算。 121 4 织物热湿传递的二维模型! 该模型是由日本学者t n i s h i m u r a 和t m a t s u o 提出的，它是一个二维的织物他热传湿 模型。该模型把纤维与孔隙( 空气) 组成的方形区域作为研究对象，其中纤维和孔隙各取 实际宽度的一半。 该模型可以很好的了解水汽在纤维和空气中的传递，特别是水平方向上两者之间的水 7 北京服装学院2 0 0 6 届硕十研究生毕业论文 汽传递情况。同时t n i s h i m u r a 和t m a t s u o 还讨论了纤维和空气中的湿浓度在二维方向上 依湿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。由于 该模型简化了织物的结构，没有考虑织物的吸湿阶段性问题，并且该模型没有与织物的传 热结合起来，因此该模型不能完全反映通过织物的湿传递现象，但根据数值模拟结果画出 的矩形区域内纤维、空气的湿浓度分布图可以定性地对某些问题加以讨论。该模型的数值 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的意义。 1 2 2 服装热湿传递模型的发展现状 织物的热湿传递性并不能代表整个服装的热湿传递性能，因为服装受款式的影响很 大，特别是服装的隔热性能。所以很多学者刃：始研究服装的热湿传递性能并建立起各种不 同的模型。 1 2 2 1l o t e n s 和h a v e n i t h 的服装热湿阻模型1 l o t e n s 和h a v e n i t h 把人体看成是由十三个直径、高度不同的圆柱体组成，引入相对 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屡的热、湿阻 值便可以换算后直接相加，由此可以对某种特定条件下服装总体的隔热、传效果进行评 价， 122 2 皮肤出汗垂直板模型“” 2 0 0 0 年韩国学者h s v o o 和y s h u 通过对一编垂直板的控制来模拟皮肤出汗，并且 用来测试服装体系( c l o t h e ss y s t e m ) 巾水气压的变化情况，进而研究了在服装微小气候中 纤维品种，空气层厚度，服装开口列服装热湿性能的影响。此外该模型还用垂直板模拟了 服装开口的情况如领子，袖笼，腰部，整个放开度比例分为o ，1 0 ，2 0 ，4 0 和6 0 。 该模型虽然模拟了皮肤出汗及服装丌口的情况，但该模型是通过简单的几块垂直板组 成的，因此很难模拟出实际人体这样个复杂的曲面，因此其应用范围受到一定的局限性。 1 2 23 人体圆柱体模型 该模型由e a m c c u l l o u g h 和b w j o n e s 等人提出，它把人体分成1 1 个部分( 头、胸、 背、腹、臀、上臂、下臂、手、大腿、小腿和脚) ，如图1 。每一部分都被看作具有相同 表面温度和湿度的圆柱体。而每一层服装也都被看作是围绕人体的圆筒，并且每层服装都 可以细分，直至细分出来的次部分被完全遮盖为止。同时e a 莫库郎等根据该模型推导 出预测服装热阻和湿阻的数学模型。具体数学公式如下： 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 讯= 等一， ( 1 - 3 ) 湿娩一肼等a ( 1 - 4 ) 该模型已经把人体当作建立模型的基础，并且完成了服装热阻和汛阻的理论推导过 程。这个圆柱体模型把人体分为1 1 个部分，但对人体复杂曲面的模拟还是过于简单化。 同时把每部分都看成具有相同表面温度和湿度的圆柱体t g j 实际不太相符。因此据此建立 的教信模型对纂凿服磐预涮的不帚很准确如诱渝件著的服装。 图1 人体圆柱体模型图2 人体热调节的双层模型( 单层服装) 1 224 人体热湿交换的数值模拟模型1 该模型是通过计算机技术，用人体扫描得到的三维非结构化网格构造了一个人体几何 模型，其数值人体模型更接近于真实的人。该模型利用g a g g e2 - n o d e ( 热核和皮肤两点) 热 生理模型来描述皮肤表面每一个细胞与外界环境的调节过程，得到皮肷和外界坏境的动态 的温度和湿度的分布。该模型虽然构造了三维数值人体模型，并模拟了着装人体与环境之 间的热、湿交换，但还是存在一些问题，如显性的构造服装和网格化的标准的复杂度等。 122 5 服装热阻推算模型” 现在广为应用的求服装热阻的方法是通过对服装织物的厚度进行推算的经验推导公 式： 9 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 r 。- 2 0 0 0 5 3 4 h + 0 0 0 1 3 5 l * a 一0 0 0 5 4 9 ( 1 5 ) 其中r 。，服装热阻；a 一服装人体覆盖面积：l 一织物厚度。 该公式中的服装热阻是服装的基本热阻，即不包含服装表面空气层的热阻，它考虑的 只是服装的人体覆盖面积和织物的厚度，因此对于同一织物( 即厚度相同) 作成的相同款 式和长度的服装，用浚公式得到的服装热阻值是相同的。一般服装穿着在人体身上后与服 装包围的微小气候共同对人体产生作用，而该经验公式没有考虑服装宽松度和开口度引起 的服装内空气层的变动对服装热阻的影响。 1 3 本文研究的目的、意义及内容 1 3 1 本文研究的目的及意义 服装作为人与环境相互接触的中介，其性能直接影响到人体的舒适感，特别是服装的 热湿传递性。在寒冷的冬天，服装隔热性的好坏是人们选择服装的基本标准：在一定的热 环境f ，皮肤产生的热量和汗液透过服装传到外界，而服裟的这种传热导温性直接班定了 服装的舒遁性。服装热湿性能的测试指标主要有热阻、湿阻和透湿指数。一般柬既，热阻 和湿阻可以由暖体假人测得，但由于暖体假人价格昂贵，同时也需要人工气候室作为辅助 仪器，所以暖体假人的应用受到一定的限制。人们通过建立数值模型的方式对服装的传热 传湿性能进行预测，这样既可以对服装性能进行研究，又可以不受外界条件的限制。因此， 通过改进实验的方法来对这些参数进行预测就显得很有实际意义了。 近年来，人们对织物及服装热湿舒适性的研究方面做了很多工作，同时也建立了不少 热湿传递模型。但对服装热湿传递的研究多集中于对织物热湿阻的研究以及对热湿舒适性 的综合评价，而对服装本身的热湿性能的研究还很缺乏。用织物的热湿阻来代替服装的热 湿传递性能，与实际相差很大，因为实际上服装的热湿性能除了与织物的热# 覆性有关外， 还与服装的款式有很大的关系。从文献综述可以看出，目前人们对整个服装系统的热传递 模型的研究还较少，同时也存在一些不足之处，主要表现在： 1 ) 人体形态的模拟过于简单化。 2 ) 关于服装款式对热湿传递性能影响方砸的研究还较少。 3 ) 计算机在服装热湿传递中的应用还不是很完善。 由于现有服装热湿传递模型存在一些不足，所以本课题希望能在前人研究的基础上， 】0 北京服装学院2 0 0 6 腻硕士研究生毕业论文 利用计算机技术模拟三维的人体模型，通过大量的实验，找到服装款式、织物性能与整体 服装的热传递性能之间的关系，并建立起由织物性能和服装款式定量预测服装热湿阻的数 学模型。 1 3 ，2 本文研究的内容 人体在各种外界条件下要保持一定的舒适感，需要人体自身的调节和服装的辅助作 用。而与人体舒适感直接相关的就是服装微气候内的温湿度和风速。只有当微气候内的温 湿度保持在一定的范围内，人体才会感觉舒适。在外界环境一定的条件下，服装是影响微 气候的主要因素。一般来说，与人体舒适性有关的服装特性主要是服装的款式和织物的性 能，如图3 。 自身运动情况和生理反应 厂一一 瓮 款式和织物e = 服装( 热阻、湿阻等性能) e = 服装内的微小气候f = 人体舒适度 外群条r l 。( 温度、 显皮平| ：| 风述等乞歹参 阁3 - 人体舒适感分析图 在着装的情况下，由身体产生的热和湿在传送到周围空气中之前，会在服装与人体之 间的空气层内停留，并在皮肤与服装之间形成特殊的微7 t 候，同时人也会感觉舒服。服装 的热湿传递性受外界环境，人体状况和服装特性如织物与服装开口等因素影响。影响微气 候的参数如图4 所示。 人 图4 影响服装内微气候的因素 境因素 从图4 可知，当外界环境相同时，人体的热温传递主要由服装款式( 如宽松度，丌口 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 度和覆盖度) 及服装材料的性能决定。由于服装内微气候非常复杂，因此本课题研究的条 件为：人体处于静止状态，外层服装比罩层服装宽松度大，外界环境静止( x k 速至0 1 m s ) 。 本课题所建立的人体模型是把人体的四肢看成由多个小圆柱体组成，躯干山多个椭圆体组 成，这与前人所建立的人体圆柱体模型相比更加符合人体。 如上面分析，人体的热湿传递主要由服装款式和服装材料的性能决定，所以本课题把 服装款式中的宽松度、开口度、覆盖度及织物性能作为自变量，服装的热阻值作为因变量， 通过大量的实验得到服装热阻与服装款式、织物性能等简单易测的基础性指标的相关关 系，并运用计算机模拟技术和数学建模方法构造出服装热阻的数学模型。由于实验用假人 是干性暖体假人，所以本课题只对服装的热阻进行研究，并通过理论推导得到服装湿阻的 数学模型。 本课题研究的主要内容如下： 1 建立一个以圆柱体和椭圆体为基础的人体模型，和实际人体更加吻合，计算缔果 更加准确。 2 用服装开口度、宽松度、覆箍度定量地对服装款式进行描述，并把这t - 三个款、因 素作为服装热阻的影u 向因素进行研究，找出服装款式、织物热阻与服装热阻之间的相 应关系，并建立服装热阻的数学模型。 3 构建出一个计算机预测模型，只要输入人体、服装各部位的尺寸和织物热阻，就 可以预测出服装的热阻值。 本论文针对服装热舒适性的基础指标热阻进行研究，作为一个基础性研究，将为纺织 品和服装热湿舒适性的研究提供一定的理论依据。本课题国内外还没有深入研究，且研究 的是实际生活中的着装状况，以期能够对织物生产厂商、服装生产厂商及消费者进行指导， 为相关课题的研究提供可资借鉴的方法和结论。 2 北京服装学院2 0 0 6 届硕七研究生毕业论文 2 实验部分 2 1 织物保暖性与服装热阻关系实验 2 1 1 织物的确定及服装具体尺寸 2 1 1 1 织物的确定及其基本结构参数 如果要想对该课题进行全面而细致的研究，服装织物的选择就要包括天然纤维和化学 纤维( 包括机织和针织、各种组织结构、单一或多种原料等多种因素) 。当然，实验试样 的选择要考虑到影响织物的各个因素，包括成纱形式、纱支、克重、单位面积质量、密度、 织物组织结构、厚度和后整理等。但由于时问、个人精力的限制，本论文的研究主要分机 织织物和针织织物两大类，并选择有代表性的种类进行试验。 从织物的纤维组成考虑，服用幺i 物的纤维种类越来越多，除了传统的天然纤维，人造 纤维和化学纤维之外，各种新型材料也不断应用到民用纺织品中。作为科学研究，我们0 ： 可能把所有织物都找来进行测试，只能从中选取出有代表性、有分析价值的种类来研究。 众所周知，虽然新型纤维不断的出现，但在民用服装方面，还是以传统纤维( 纯棉、纯毛、 涤纶) 作为主要的纺织材料，因此本论文中进行测试的织物都是传统常见的材料。由于织 物多种多样，其纱线、克重、厚度等因素很难控制，所以选择了斜纹织物作为基准。 由于服装的保暖性主要与织物及服装内静止空气的多少有关，而与具体的纤维种类、 纱支等关系较小，所以在此不考虑具体纱织、密度、纤维种类和组织结构，而用织物热阻 这一总的织物保暖性指标作为影响服装热阻的因素之一。最终选定测试织物共6 块，不同 织物之间以a - f 编号区分。在实验前先对各织物的重量和厚度进行测量，并计算各织物的 平方米克重和体积重量。重量测试所用仪器为精度0 o i g 的电子天平，对每块织物的重量 都进行记录并求出每种织物的平均值。厚度测量采用y g l 4 1 n 数字式织物厚度仪，每种织 物测试数量为三块，在每块织物上尽可能分散且平均地选取五个点，测量后求平均值。具 体参数如表2 ： 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 表2 测试织物的种类及基本参数 平方米克重导热系数1 0 3厚度 编号材料种类织物热阻( c i o ) ( g m 2 ) ( j m 2 h ) ( m i l l ) a纯棉格子布1 2 6 5 5 5 67 7 3 1 2o 2 3 1 80 6 0 4 0 b 涤纶织物 3 7 5 1 1 1 13 6 7 1 50 4 8 8 10 9 2 8 8 c纯棉牛仔织物2 1 1 9 8 2 2 4 8 6 3 20 3 6 8 50 4 6 9 4 d纯毛针织织物5 2 3 6 6 8 61 8 1 0 70 9 8 9 73 1 5 2 4 e涤纶复合毛绒织物6 4 6 7 7 6 41 0 9 6 01 6 3 5 05 1 3 9 0 f夹棉织物2 9 9 3 6 0 00 8 3 5 42 1 4 5 03 7 7 8 0 2 1 1 2 服装尺寸及其制版 在制作试验用服装之前需要按照国家统一标准测量暖体假人各部位的净尺寸，结果见 表3 。 表3 假人净尺j j 表( 单位：厘米) 净颈围 4 8大肩宽4 4 臀围 9 7后背长4 0 5 袖口 1 8 5前长3 4 净b9 0 5 小肩宽 1 4 净w7 5袖山高1 5 袖长5 4腰臀距离 2 1 腋下围 2 6胸腰距呙1 9 背宽 3 4肩围9 0 前宽 3 4袖山高1 5 5 腿长1 1 0膝盖高 4 6 脚踝高 8裆高3 0 大腿围 4 9脚碗围2 l 织物的导热性能直接影h 自服装的热传递性。因此把不同织物作成相同款式的服装，通 过测试服装的热阻，确定织物与服装热阻的具体关系。为了减少其他因素的影响，浚部分 实验的款式选择贴身连体服装，宽松度、开口度为0 ，覆盖度为6 5 。所用的织物为表2 中的a - f 六种织物，服装序号分别为1 号纯棉格子布套装、2 号涤纶织物套装、3 号纯棉 牛仔套装、4 号纯毛针织套装、5 号涤纶复合织物套装、6 号夹棉织物套装。六件服装的 具体尺寸见表4 。 4 北京服装学院2 0 0 5 届硕十研究生毕业论文 表4 织物保暖性与服装热阻关系实验中服装的具体尺寸表( 单位：厘米) 部位颈围臀围袖口胸围腰围袖肥 衣长腰 袖长手 裤长腿 l线高臂长 长 服装尺寸 4 89 72 69 0 57 52 64 7 54 16 5 慷人尺寸 4 89 72 69 0 57 52 64 0 55 4l o o 在正式制作实验用服装之前，需要通过立体裁剪的方法得到暖体假人的原型，在此基 础上运用n a c 服装( ：a d 软件进行打板。然后裁剪织物，最后缝制成成衣。为保证实验的准 确性，缝制服装所用的线迹为平缝，涤棉混纺缝纫线，针码相同。 212 实验仪器、原理及实验环境的选择 2 1 2 1 主要仪器设备及原理： a ) 暖体假人由中国总后勤装备部研制。本课题实验用的假人是干性暖体假人，模拟 中国成年男军人人体尺寸，身高1 7 3 2 c m ，胸围9 0 2 a m 。其测试原理是将假人置j 二人工气 候仓中，以一定的功率加热假人本体，并通过控制器使表面温度稳定在3 3 。c 左右，根据 表面温度与环境温度的差以及为保持假人表而温度恒定所需的供热量来计算目艮装的热阻。 其计算公式为： i = k ( f s t a ) h( 2 - 1 ) 式中：i 服装热组值( c l o ) t s 假人皮肤表面温度( 。c ) t a 环境温度( ”c ) h 热流率( w m 2 ) k 系数 可以根据测得的服装热阻值来估计服装的防寒保暖性能。该假人的主要测试指标有： ( 1 ) 服装表面空气层热阻i 。： ( 2 ) 服装总热阻( 包括服装表面空气层热阻) i 。： ( 3 ) 服装基本热阻i 。( 不包括服装表面空气层热阻) ，i 。= i 。，f 。( f 。为着装假人 表面积与裸体假人表面积之比) ： ( 4 ) 衣服基本热阻( 包括服装表面空气层热阻，但不包含覆盖头、手、脚等的 热阻) 【。 本课题主要分析的是包括服装表面空气层热阻的服装总热阻i 。，因为人体着装后服装 的保暖性除了与服装织物本身的性能有关外，还与服装表面空气层的情况密切相关。 j b 京服数学院2 0 0 6 儡硕1 ：研究生毕业论文 另外，人体的状态( 如手臂和腿的位置等) 不同，所测得的服装热阻值也多少有些差 异。因此为了保证实验的准确性，测试时暖体假人为站立状态，手臂和腿与地面垂髓。 b ) 人工气候室南重庆银河仪器厂研制。人工气候室是模拟自然界气候( 如温度、 湿度、刮风、日照和淋雨) 的大型实验设备，其主体结构为分体式结构，即试验箱和机组。 通过对控制器参数的设置及合理的开关置位实现自动控制。人工气候室可以模拟不同的环 境温度、湿度、降雨量、风速及曰照。具体参数范围如下： 温度范围：一5 0 。c + 8 0 。c ： 湿度范围：3 0 9 8 r h ： 雨量范围：达( 3 n n n m i n ) ，中( 2 m m m i n ) ，小( i m m m i n ) ： 风速范围：中心点水平风速在0 5 一5 m s 之间。 c ) 织物保温性能测试仪( y g 6 0 6 a 常州市第二纺织仪器厂) 本实验所用的保温性能测试仪为平板式保温仪，其测试原理为恒温法，测量值为保温 率、导热系数和克罗值。 e ) 电子天平( n a v i g a t o rb a l a n c e s ) 精确度0 o l g f ) 卑度仪 v g l4 l n 型数字式织物厚度测试仪 g ) 辅助实验设备及材料： 剪刀、长尺、打版纸、缝纫机、熨斗等 2 1 2 2 实验环境及条件 本课题所有实验都足在人工气候仓中进行，这样可以确保实验环境的恒定。对于不同 热阻的服装，其测试的环境温度有所不同，按如下原则来调整实验温度： 当i t 1 o c l o 时，设定环境温度1 0 2 1 ； 当1 o i t 3 o c l o 时，设定环境温度一5 i 0 ： 当3 0 c l o i t 4 5 c l o 时，设定环境温度一1 5 一5 ； 当4 5 c l o i t 7 o c l o 时，设定环境温度一4 0 一1 5 。c 。 由于暖体假人只有在静止环境中才能进入平衡并得到测试结果，所以人工气候舱内的 空气流动速度小于0 。o l 米秒。为使实验环境更加稳定，以暖体假人为中心，1 5 米为半 径做了一个密封的布罩，把暖体假人包围在中间。另外，气候仓内的相对湿度控制在5 0 6 0 之阳) 。 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 21 3 买验方法 21 31 实验前的准备工作 1 测试分析6 种织物的特性如纤维种类、单位体积重量、厚度等：测试6 种织物的 热阻值。 2 根据实验要求制作试验用服装。 3 对人工气候仓的温度和湿度和暖体假人的性能进行稳定性调节。人工气候仓的温 度的变动范围不超过2 摄式度，相对湿度变动范围不超过3 ；裸体状态下，暖体 假人的热阻值( 即人体边界空气层阻力) 为0 7 8 c l o 。 21 3 2 实验步骤、 1 测量试验用服装的具体尺寸，并进行记录。与表4 尺寸表相差l 厘米以上的部位 需进行修改。 2 熨烫试验用服装。 3 打丌人工气候仓，设定试验用温度和湿度，使其进入平衡状态。 4 为瑷佛假， 、穿上实验用p 装后力丹义验仪器，进行测试。母什服装测试两次， 结果取平均值。 5 分析整理实验数据 2 2 宽松度与服装热阻关系实验 服装的宽松度是指服装与人体之间空气层的体积与服装所覆盖的人体表面积之比，即 单位人体着装表面上服装所覆盖的空气层体积。其计算公式如下： 服装的宽松度= 塑茎堕雩誓鬓鬈警篙笑鬻蓦券笋= 里羔薹襄墓篙等笑鬻c z 之， 在静止环境中，宽松度决定了服装内微小气候的静止空气含量。服装的宽松度主要出服装 的胸围、腰围、臀围、低摆等来决定，因此通过变化服装的这几个主要尺寸，就可以得到 不同的服装宽松度。 2 2 1 织物的确定及服装具体尺寸 在浚组试验中，织物选用表2 中的b 号涤纶织物7 与其他织物相比，更加硬挺) 。经 北京服装学院2 0 0 6 届硕士研究生毕业论文 过测量普通人们穿着的服装尺寸得到：服装的腰围、胸围的松量大多在4 0 厘米以内，所 以本部分实验中腰围、胸围松量的最大范围设为4 0 厘米，腰围、胸围、臀围、低摆的档 差为1 0 厘米，通过改变胸围、腰围、腋下围的松量，得到7 件不同宽松度的服装，服装 序号为7 - 1 3 ，腰固、胸围、袖肥的松量如表5 。 每个服装的颈围、低摆、袖口围、袖| 殳、衣长、袖山高相同( 具体尺寸如表6 ) ，以 保证所有服装具有相同的开口度和覆盖度，利用第三章中的方法计算该组实验中服装的覆 盖度和开口