多孔織物熱濕耦合模擬研究與發展趨勢

謝璐璐, 叢 杉, 謝 倩

(1.上海工程技術大學 服裝學院, 上海 201600; 2.西安工程大學 服裝與藝術設計學院, 西安 710048)

研究與技術

多孔織物熱濕耦合模擬研究與發展趨勢

謝璐璐1, 叢 杉1, 謝 倩2

(1.上海工程技術大學 服裝學院, 上海 201600; 2.西安工程大學 服裝與藝術設計學院, 西安 710048)

深入探究了熱濕耦合對服裝熱濕舒適性的重要意義，回顧了近年來多孔織物的熱濕耦合研究進展，包括織物性能對熱濕耦合的影響，不同物理現象下的熱濕耦合研究兩方面內容?？偨Y了常見的熱濕耦合數值模擬的四種途徑：以Luikov傳熱傳質耦合方程為基礎的數值分析方法、有限容積分析法、有限元分析方法和基于多物理場的仿真軟件應用。結合以上分析，提出了熱濕耦合模擬應該從熱濕參數量化、極端環境條件及多層織物熱濕耦合機理進行深入研究，注重結合多孔介質傳熱傳質理論和織物特征，以完善熱濕耦合機理分析和數值模擬過程。

多孔織物; 微氣候; 熱濕耦合; 數值模擬

通常情況下，人體-服裝-環境系統中的微氣候層會受到人體新陳代謝、織物性能、環境條件的影響。熱量、液態水、水蒸氣會通過織物層傳到外界，而外界環境的溫度、濕度、氣流、輻射、光照等則要經過服裝的阻隔或吸收來作用于人體，如圖1所示。微氣候內的溫度場和濕度場是相互影響、相互作用的，溫度的變化會影響織物表面蒸發率、濕擴散系數、導熱系數及比熱容等的變化，分析兩者的耦合作用，將更加符合實際微氣候中織物特性。

隨著科學技術的發展，熱濕的研究越來越嚴謹、系統，學科的延伸更加拓寬了研發途徑?？椢锏臒釢耨詈现饾u轉化為了一個物理分析問題。一些學者根據熱質傳遞的特點，在流體力學的理論基礎上，將紡織和數學很好地結合起來[1-10]，但對傳熱導濕過程的描述模糊，也沒有考慮到液態與氣態的傳送機理，與實際的情況差距較大，限制了應用范圍[1-5]。隨后在對模型改進時，細化了熱濕耦合中汽液轉換及熱量傳遞，如考慮蒸發/凝結相變的熱、濕傳遞等，除此之外，傳質過程也被考慮進去。但是，介質本身所具有的物理性能被忽略，如吸濕性能，且多以靜態條件為前提，設定的臨界條件理想，需要進一步完善。近年服裝的熱濕研究涉及到包括熱學、力學、數學、紡織材料等方面，多相流體力學的較大發展帶動了許多交叉領域的進步，紡織和力學的結合更是為這個古老學科帶來了新的契機。本文以紡織品為對象，回顧了近年來國內外多孔織物熱濕耦合數值模擬的研究成果，并總結了常用的數值模擬途徑及研究趨勢。

圖1 人體-服裝-環境系統中的物理過程Fig.1 The physical process of the body-clothing-environment system

1 織物的熱濕耦合研究現狀

1.1 織物性能對熱濕耦合的影響研究

服裝面料的框架是柔性纖維材料，紗線之間和纖維之間存在空氣，服裝面料的熱濕傳遞有其特殊性，即纖維材料有吸濕和放濕的能力，紗線間及纖維間的孔隙能傳遞液態水和氣態水，伴隨的熱量傳導帶動水分相變，從而造成能量轉移。所以要分析織物的熱濕耦合過程，織物本身性能是重要的影響因素。

1.1.1 織物結構對熱濕耦合的影響研究

織物作為一種非飽和多孔介質，結構比較復雜。經數值模擬與實驗證明，多孔介質大孔隙的形狀、排列方式連通性預計及方向的不同會造成有效導熱系數的波動，尤其是連通性和方向對多孔介質的導熱性能有很大影響[6]。對于一些功能紡織品，以無縫運動內衣為例，組織密度對面料的吸水率、透濕率、蒸發速率、吸水速率、擴散速度、單向傳導能力及綜合傳遞指數、透氣率、熱阻均有顯著性影響[7]。通過數值模擬研究表明，不同組織結構織物的熱濕傳遞還與紗線的彎曲形狀有關[8]，另外顆粒與顆粒之間還存在接觸熱阻，因此多孔介質模型的研究就顯得十分困難。

從微觀角度對織物結構進行分析是目前主要的研究途徑，而分型理論是目前常用的微觀分析方式。2012年鄭仟[9]采用分型原理，以毛細管束模型來描述多孔介質，類分形樹狀網絡模擬裂縫網絡，用毛細管束模型描述基質介質，推導了構建的雙重多孔介質中氣體流動的滲透率的理論模型。因氣體滲透率被表示成多孔介質結構參數的函數，模型中沒有經驗常數，所以比經驗模型可以揭示更多的物理機制。Zhu[10]在熱質耦合的基礎上，開發了一個多孔介質孔隙尺寸分布的分形數學模型，如下式所示：

(1)

(2)

(3)

εl+εg+εf=1

(4)

在引入分型維數、空隙率參數，并規范初始條件和邊界條件，對空隙間的水蒸氣濃度分布，液體水的體積分數，多孔纖維材料的溫度變化及水的相對分子質量分布進行數值模擬。從微觀角度分析，織物的內部結構多當作規則形狀處理。徐定華[11]考慮具有平行圓柱孔結構的紡織材料中熱濕傳遞問題，提出了熱濕傳遞數學模型(即一類非線性常微分方程組的邊值問題)。在對方程組進行解耦后，利用有限差分法和數值積分把該問題離散化為一個非線性代數方程組。平行圓柱孔結構的構想簡化了模型的影響因子，與實驗的結果十分接近，這是值得借鑒的地方。

1.1.2 織物熱物理性能對熱濕耦合的影響研究

新型材料的不斷涌現，為織物熱濕耦合的研究帶來了新的契機，相變材料以其隨溫度變化而改變形態并能提供潛熱的特性，在服裝領域得到廣泛應用。通過研究發現，在適當的范圍內，含相變微膠囊較多的服裝具有較好的熱感覺和舒適性[12]。李鳳志等[13-14]開發了一個含有相變材料的織物熱濕耦合模型，對傳統的熱濕耦合模型進行了改進。該模型考慮了相變區間對相變及傳熱過程的影響及加熱/冷卻率對相變材料特征溫度和相變熱的影響，能夠很好地預測含有相變微膠囊織物內的熱濕傳遞過程。隨后又發展了含單一和多種類型相變微膠囊的服裝內熱濕傳遞機理模型，為智能服裝的面料設計提供了很好的理論指導，但是該模型沒有考慮到紗線漲縮。

多孔介質的內部結構十分復雜，孔隙結構、通道直徑及圓角變化都會對熱濕耦合產生影響，借助數值模擬的方式，探究這些因素的影響能夠幫助更加深入地了解熱濕耦合的機理，而目前未見到比較系統、深入的研究?？椢锏臒嵛锢硇阅軙绊懙綕耨詈夏Ｐ椭械年P鍵因子，如有效熱阻、透濕率、液態水體積分數、水蒸氣濃度等。先前所建模型考慮的織物形態及性能比較理想，多從微觀形態的建立模型，即從單位研究對象去推理整個織物的特性，這樣就限制了模型的應用。

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1.2 不同物理現象下的織物熱濕耦合研究

目前，很多學者從流體力學和熱力學的角度來建立數學模型，模擬多孔介質的內部流場，簡化模型及邊界條件的設置，以減少建模時間[15]。首先在空氣厚度的研究方面，2011年黃冬梅[16]基于多孔介質連續介質模型和生物傳熱模型，發展了環境-織物-空氣層-皮膚熱濕耦合模型，模型考慮了各層織物之間存在空氣層及各層織物之間的相互影響。2012年學者Yoshio Morozumi[17]通過實驗和數值模擬研究出汗薄膜和非織造布片之間的熱濕傳遞。在空隙和服裝間的熱傳導與水分擴散的基礎上，提出一個數學模型，研究出空氣層的厚度大小對濕傳遞的影響。不足之處就是針對不同的空隙高度和加熱條件的影響缺乏探討，所得結果理解相對困難。

其次在熱濕傳遞的過程中各相轉化問題上，2007年H.Huang[18]研究了一維背景下纖維性復合材料中的熱濕傳遞，提出了一個伴有相變現象的多組分、多相流動模型，模型中考慮了液態水流動的毛細管作用?？追布t[19]在含濕量梯度為質驅動勢的條件下，對界面處的質量和能量方程進行適當改進，對多層多孔介質熱質耦合傳遞的模擬結果更符合實際，所建立的機理模型如圖2所示。Xu[20]建立了一個在低溫下多孔織物動態耦合模型，充分考慮凝結水分遷移、變量初始條件及邊界條件，這一研究能為功能材料的設計、熱濕舒適性指標提供有用信息。

在動態熱濕耦合模型研究方面，以FAN Jintu[21-23]等的研究為代表。早前提出一個通過纖維性隔熱層的熱濕耦合的動態模型，模型中考慮了蒸發和移動凝結，該模型成功地解釋了Farnworth的實驗觀察，并且模型的數值結果與實驗結果吻合程度良好。隨后提出在纖維性隔熱層中伴有相變和移動凝結現象的熱濕耦合傳遞的改進模型。在新模型中，考慮了壓力梯度引起的水分運動，冷凝區域的超飽和狀態及纖維材料的動態吸濕和液體凝聚的流動。在最新的研究中，基于以上動態模型的兩層織物的熱濕傳遞模型，除了考慮傳導、輻射外，還考慮了織物與外界環境的對流換熱。但是以上這些模型都沒有考慮織物本身的結構特征。

圖2 多層多孔材料控制體界面含濕量分布示意Fig.2 Moisture content distribution diagram of interface control of multilayer porous materials

目前建立的織物熱濕耦合模型多考察常壓條件下纖維層內流體的一維流動，與實際情況不符。對流傳熱，迎風點的位置，風速度等因素都會對服裝內的傳熱、傳濕過程產生影響。研究特殊環境條件，特別是氣流對著裝人體影響是完善熱濕耦合模型的重要任務。

2 熱濕耦合數值模擬途徑

微氣候中流體的流動與傳熱通?？梢杂梢唤M偏微分方程描述，變量的關系都是高度非線性的，采用傳統的解析求解方法是不實際也是不可行的，計算機

的發展使人們借助于先進成果來解決復雜流動與傳熱問題的想法得以實現。綜合分析上述文獻中的研究方法，并結合計算機技術及數值分析方法，對多孔織物熱濕耦合過程進行數值分析的可能途徑可以概括為以下四種。

2.1 以Luikov傳熱傳質耦合方程為基礎的數值分析方法

數值分析方法考慮了傳熱傳質過程中吸熱/放熱，根據濕氣遷移過程中的質量守恒和能量守恒原理，建立偏微分方程組。同時利用數值解析的方法來求解方程組進而得到熱、濕度場及其動態變化的解析解[24]，所以，織物作為一種典型的多孔介質，在熱濕耦合的研究中可以采用此方法。針對求解耦合方程，存在不同的求解方法，Qin Menghao等[25]對使用傳遞函數求解多孔材料中的熱濕擴散耦合傳輸進行了探索。并對無限長空心圓柱耦合的傳輸方程進行了求解，有較強的參考價值。王元妹[26]采用有限差分法對多孔介質材料的一維和二維瞬態傳熱、傳濕進行模擬研究，得出空心圓柱、平板內部的溫度及含濕量的動態分布。在求解過程中考慮到了瞬態邊界條件，使計算結果更精確，對多孔材料的裂紋分析具有重要的借鑒作用。程建新[27]對耦合常微分方程組的定解問題設計了有效的數值算法，通過數值模擬后，證明該方法的有效性與實用性，但是數值解的唯一性或穩定性還不能證明，仍然需要改進。在2011年，張小彬等[28]將多孔介質一維化，在LuiKov方程的基礎上，通過引入無量綱溫、濕度，使方程得到了簡化，如式(5)(6)所示。

(5)

(6)

采用拉普拉斯變換和傳遞函數方法，得到了一維熱濕耦合傳遞問題的解析解，所得結果能夠很好地預測熱濕耦合。但研究方法中所涉及的材料吸濕性能沒有考慮，而材料的吸濕性會對濕熱傳遞過程產生一些影響。

2.2 有限容積分析法

在流體力學和傳熱學的控制方程推演過程中，通常使用微元體的概念來建立物理模型，而在進行數值計算時，可以借助生成網格節點對子區域應用微元體的概念建立物理模型[29]。有限容積法在目前的流動傳熱問題的數值計算中應用廣泛，成為了科學研究的重要工具，其守恒性和物理概念明顯的特點是其他數值方法無法相比的。如李鳳志等[30]給出了一種基于控制體積法和時域遞歸展開的求解織物熱濕傳遞耦合方程的算法，具體就是化連續性的非線性微分方程組為一系列的遞歸形式的線性代數方程組，該方法的預測結果具有不依賴時間步長的特點。朱云飛[14]對相變微膠囊織物內部的熱濕傳遞機理進行深入研究，詳細講解了有限容積過程，但是該模型對冬季的低溫環境并不適用，針對人體的溫濕度控制系統仍然需要完善。

2.3 有限元分析方法

在科學研究與工程數值模擬中，經常需要進行大量的數學分析計算，在科研工作中有限元法是應用最廣泛的數值計算方法之一，是解決科學技術問題的主要工具。朱正剛等[31]基于連續介質力學的宏觀尺度對多孔介質的熱、濕和氣三者耦合遷移進行數值模擬，研究壓力梯度對熱質傳輸的影響。他的突破點是采用Galerkin加權余量的有限元方法，提出了溫度、含濕量和氣相壓力在Dirichlet邊界條件及混合邊界條件下的三維耦合數值模型。當前常見的大型商業有限元軟件有ANSYS、MSC/Nastran、ALGOR等。以ANSYS Multiphysics為例，由于ANSYS軟件具有建模簡單、快速、方便的特點，因而成為大型通用有限元程序的代表[32]?？蛇M行包括結構、熱、聲、流體，以及電磁場等的數值計算[33]。能夠實現結構、溫度場、流場之間的耦合分析，減少了假設和簡化過程，精度更高，縮短完成時間，使科研活動更加高效。

2.4 基于多物理場的仿真軟件應用

目前，通常接觸到的大型商業軟件主要以工程技術應用為主，而對于科學研究理論與工程模擬密切結合的分析軟件以FEPG(Finite Element Program Generator)具有代表性。FEPG是一個專業有限元數值分析軟件包，是基于偏微分方程的科學與工程問題進行建模及仿真計算的交互開發環境系統，而偏微分方程是科學問題的基礎和根本[34-35]。與同類型的通用程序比較，通用程序僅能解決某一類型或某幾種類型的問題，而FEPG可以生成解決任何有限元問題的程序[36]。雖然FEPG是一個強大的分析工具，能夠定義和耦合任意數量偏微分方程，且在內存占用、計算速度和準確率方面都有優勢[37]，但對織物濕熱傳輸耦合作用能否進行簡單易行的分析，還有待于相關實踐的驗證。

針對流體熱學的研究雖然很多，但基于熱濕耦合傳遞模擬的方法選擇以數值解析法、有限元分析為主要考慮對象。結合上述的研究途徑，有限容積分析法和有限元仿真軟件在熱濕耦合模擬研究中的可行性較高，但需要結合織物特點進行合理選擇和改進。

3 發展趨勢

多孔織物熱濕耦合模型的發展十分迅速，模型應該更加真實地反應實際生活中千變萬化的外部環境，綜合分析現有關于織物熱濕耦合及數值模擬研究的文獻，多孔織物熱濕耦合模型發展趨勢主要有以下幾個方面。

3.1 織物熱濕參數的量化研究

在一定的環境條件下，織物熱濕基本參數會隨著溫度、濕度的變化而變化，如織物中水氣的變化會引起織物物性參數的改變，織物內發生各相的轉變，會改變織物的傳熱傳濕過程。而大多數模型，熱濕參數是以常數處理，因此是不合理的。一般在穩態狀態下測量織物的熱物性參數，需要很長的預熱過程，配置復雜，且對邊界條件的要求比較嚴格。非穩態下測試時間短，干擾少，且能同時測量多個熱物性參數[38]。同時考慮到纖維材料的多相多孔容易引起結構內部自然對流、水分蒸發等現象，會影響到測試結果的準確性，在局部非熱平衡狀態下，材料熱物性參數對熱濕耦合強弱的影響是急需解決的課題方向。

3.2 極端環境下熱濕耦合模擬研究

直接對極端情況下織物熱濕耦合的研究非常少(主要見于國內)，而且多數的研究并不是以研究織物熱濕耦合為目的，一些織物耦合研究并沒有真正反映出熱濕耦合作用。尤其是目前模型建立多以一維為主，在預測溫度場分布上存在缺陷，織物的熱濕傳遞在厚度和寬度方向不能得到描述，譬如相鄰的兩點間的熱濕傳遞不能被描述[32]。同時邊界上的熱/濕源，或者區域熱/濕源都不能在一維模型中被描述。在多維方向尤其是非穩態條件下，能夠比較全面反映出的熱濕耦合機理研究仍然欠缺。

3.3 多層織物熱濕耦合機理探討

實際生活中，人體多是多層結構的著裝狀態，因此研究多層服裝的熱濕耦合機理十分重要。當前對多層服裝的研究存在不足，在加熱制冷方面的研究較少，在熱輻射、熱對流方面更少，而且多層熱濕耦合模型也多建立在一維方向，在影響因子預測上存在缺陷[19]。建立多層織物熱濕耦合模型時，不僅要考慮到空氣層間的熱濕轉換過程，織物本身的熱物理參數、厚度，甚至纖維的熱分解反應也會對熱濕耦合產生影響，完善多層織物的熱濕耦合機理也是目前重要的研究方向。

4 結 語

多孔織物熱濕耦合模型的研究經歷了很長一段時期，從最初的機理描述到現在的仿真模擬技術的應用，取得了很大的進步。本文從近年來織物性能和不同物理現象下的研究熱點出發，指出模型考慮的織物形態及性能比較理想，多從微觀形態的建立模型，限制了模型的應用，同時織物熱濕耦合模型目前建立的織物熱濕耦合模型多考察常壓條件下纖維層內流體的一維流動，與實際情況不符。缺乏對流傳熱，迎風點的位置，風速度等因素的考慮。其次從數值分析方法、有限容積法、有限元法及仿真軟件的應用概述了常用的數值模擬途徑。目前的研究主要基于一維條件下的熱濕傳遞機理，并逐步得到完善，但是在織物本身的物理屬性與結構特征考慮較少，極端環境下的熱濕耦合模型仍然存在研究缺陷。此外，多層織物熱濕耦合模型的也構建十分迫切，尤其是三維方向研究欠缺。多孔織物熱濕耦合的研究需要借鑒多孔介質傳熱傳質理論的相關理論，通過合理的調整應用到織物的熱濕耦合研究中。對熱濕耦合機理分析及數值模擬的過程進行改進，這樣才能使成果更加合理通用，在實際的分析及預測中也更加準確。

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Simulation Study on Heat and Moisture Coupling of Porous Fabrics

XIE Lulu1, CONG Shan1, XIE Qian2

(1.Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China; 2. Fashion and Art Design College, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

This paper deeply explores important significance of heat and moisture coupling on heat and moisture comfort of clothing, reviews the research progress of heat and moisture coupling of porous fabrics in recent years, including effects of fabric properties on heat and moisture coupling and study on heat and moisture coupling under different physical phenomena, summarizes common four approaches for numerical simulation of heat and moisture coupling: numerical analysis method based on Luikov heat and mass transfer coupling equation, finite volume method, the finite element analysis method and simulation software application based on multi-physics field. Based on the above analysis, this paper proposes that heat and moisture coupling simulation should be deeply studied from the aspects of heat and moisture parameter quantification, extreme environmental conditions and heat and moisture coupling mechanism of multiple fabrics and pay attention to combination of porous medium heat and mass transfer theory and fabric features to perfect analysis of heat and moisture coupling mechanism and numerical simulation process.

porous fabric; micro-climate; heat and moisture coupling; numerical simulation

10.3969/j.issn.1001-7003.2014.06.009

2013-11-15;

2014-02-27

上海工程技術大學高水平培育項目(A-0508-13-01032 - 2012gp32)

謝璐璐(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為多孔織物熱濕耦合機理模擬。通信作者：叢杉，副教授，cong_3@126.com。

TS941.19

A

1001-7003(2014)06-0041-07