（纺织工程专业论文）人体着装动态热湿舒适性的仿真研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 本文综述分析了人体着装热湿舒适性的科学内容和发展史，回顾总结了前人对 人体着装热湿舒适性的研究方法，全面分析了着装过程中的各种热湿传递现象及影 响因素。 本文着重对人体着装热湿舒适性进行了动态仿真研究。 首先，以人体服装一环境体系为研究对象，应用表征性体积单元的概念及连 续介质的分析方法，依据质量、能量、动量守恒等基本定律，结合热湿传输特性， 综合考虑传导、对流、辐射、扩散、相交、热湿耦合等现象，在一定的假设条件下， 建立了反映人体着装动态过程湿分和温度分布的数学模型，并对相关参数进行了定 性分析。 然后，采用有限差分法中的隐式差分格式对机理模型进行了三维离散化处理， 并将满足机理模型的方程式转换为节点方程式。 进一步，利用m a t l a b 语言编制了反映人体一服装一环境体系内部温度场、湿分 浓度场等物理量场的计算机程序，利用这一程序获得了在多种场协同作用下反映人 体着装过程的多种物理量的动态变化图，以及各网格节点处的温湿度值和这些参数 值在空间、时间上的变化规律，同时利用所编程序对人体在不同活动工况下的热湿 特性进行动态模拟，分析了热湿传递的规律以及温湿度场在着装体系内的分布情 况。 最后，利用已有的且被广大科研工作者认可的实验数据验证了本文建立的机理 模型，并把验证过的机理模型模拟实际情况下人体着装的动态热湿传递过程，结果 发现吻合较好，达到了本课题研究的目的。 关键词：动态仿真热湿传递着装舒适性 数学模型离散求解 1 1 l i s p a p e rs u m m a r i z e st h es c i e n t i f i cc o n t e n t sa n dp h y l o g e n yo nt h eh e a ta n d m e j s t u r ec o m f o r ti nc l o t h i n g o nt h eb a s e do ft h ef o r m e rr e s e a r c h e sa b o u ts i m u l a t i o no f t h eh 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 ，a n a l y z e de a c hp h y s i cp h e n o m e n o n a n d e f f e c t i v ef a c t o ri nt h ec o u r s eo ft h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r t h ek e yc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ed i s c u s s e dm a i n l y t h a t s 。t h e d y n a m i cs i m u l a t i o na n a l y s i so fh e a ta n dm o i s t u r ec o m f o r ti nb o d yw e a r i n g f i r s t , w ef o u n dm a t h e m a t i c a lm o d e la c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fc h u r a c t e f i s t i cu n i t o fv o l u m e ，t h ec o n t i n u a lm e d i aa p p r o a c ha n dt h eb a s i cl a w sa b o u th e a t , m a s sa n d m o m e n t u mt r a n s f e r , a l s o , m a n yp h e n o m e n o na l et a k e ni n t oa c c o u n t ，s u c ha st h eh e a t c 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 ，d i f e u s ea n dp h a s et r a n s f o r m a t i o n , h e a ta n dm o i s t m - e s c o u p l i n ge f f e c ta n d s oo n a tt h es a m et i m e ，s o m ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h em o d e l a r ea n a l y z e d t h e n ，w et 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 z et h em a t h e m a t i c a l m o d e la n dl i s te q u a t i o n s o f g r i d d l i n g p o i n t s , m o r e , w ed e s i g nt h ec o m p u t ep r o g r a mu s i n gm a t l a bl a n g u a g et os i m u l a t et h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dw e tc o n c e n t r a t i o nf i e l d a sar e s u l t w eg e tp e r f e c t3 dd y n a m i c m o d e l ，a n db yu s i n gi t ，w ec a nf i n dt h el a w so ft h eh e a ta n dm o i s t r a f et r a n s f e ra n dt h e l a w sa b o u tt h ec h a n g ef o l l o w i n gt i m eo fc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r s , a l s o , w ec a ns i m u l a t e t h e h e a t a n d m o h t a r e 在1 s 王e r i n t h e d y n a m i c c o u r s eo f d i f f e r e n ta c t i v i t i e so f h u m a n l a s t w eg e tt h et e m p e r a t u r ea n dw e tc o n c e n t r a t i o nd a t a ；t h o s er e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t at h a t r e p o r t e di no t h e rl i t e r a t u r e s ，w h i c hv a l i d a t e s t h e m o d e l o b v i o u s l y ，t h ed y n a m i c3 ds i m u l a t i o no ft h eh e a ta n dm o i s t u r ec o m f o r to f h u m a n b e i n g s 缸r e a l i s t i c k e y w o r d s ：d y i n t a m l e s i m u l a t i o n c o m f o r t 址w e a r i n g m s c r e t e l ya n a l y z e h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r m a t h 咄a 廿c a lm o d e l g r a d u a t e ：g a or u l x i a 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 1 1引言 第一章绪论 人体着装过程中热湿传递是一个复杂的在一系列宏观力的作用下多相多组分之 间相互耦合的过程它与人体着装状态、运动方式和环境工况等因素有关，并且这 些因素相互耦合、相互作用共同影响人体着装的舒适性。舒适是人类在社会发展过 程中不断追求的目标之一，人类所做的每件事都可以被看作是努力改善生活舒适程 度的一部分，而服装作为人类的第二皮肤，其舒适性尤为重要。 服装舒适性反映服装对人体感觉状态的影响，直接关系到穿着者的舒适感觉和 作业能力的发挥，是服装功能的重要组成部分。从广义上讲服装舒适性包括服装材 料的保暖性、透湿性、抗静电性、防噪声性以及外观的美学性能如悬垂性、抗折皱 性、款式等，是一个囊括生理、心理、物理等诸因素的极为复杂的问题；从狭义上 讲，舒适性的首要标准是人体、服装和环境之间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【1 l 嗍，它是环境因素、人体活动水平和服装特性等 诸因素综合协调的结果。 服装热湿舒适性是指在热湿环境条件下，显著影响人体着装的综合散热、散湿 性能。人体散热的途径主要有传导、对流、辐射和蒸发，但在热环境或运动状态下， 人体主要是靠蒸发散热来维持热平衡，蒸发散失的热量占人体总散热量的7 5 以上。 在人体蒸发散热的同时，必然会引起皮肤与服装间的微小气候区的湿度上升，使人 体产生不舒适感，同时阻碍了皮肤表面汗液的进一步蒸发，这时服装具有良好的热 湿舒适性是很重要的。 目前，对热湿舒适性的研究已进行了大量的工作，其中主要工作是集中在指标 体系的建立、新的实验方法和装置的研究上，如：动态热进比、透湿指数i m 和相对 散热率等综合性指标和微气候仪、模拟出汗暖体假人、人造皮肤等实验手段。也有 着力于对人体着装动态热湿传递机理分别从传热、透湿或透气角度进行探索与研究 来建立数学模型的。但是，目前尚没有完善的能够充分反映服装热湿舒适性的本质， 从机理上解释并合理量化实际着装过程的模型，也没有将织物模型与服装空气层模 型有机结合起来，对人体在各种工况条件下的着装热湿舒适性进行仿真研究的。这 无疑值得深入研究。 为了能够根据环境条件和人体着装状态迅速准确地对人体着装动态热湿舒适性 做出评价，本人在前几位研究生研究工作的基础上将做进一步的研究，将织物热漫 青岛大学硕士学位论文 传递模型与微小气候层模型有机结合起来，以人体一服装一环境体系为研究对象， 应用表征性体积单元概念及连续介质的分析方法，依据质量、能量和动量守恒等基 本定律，结合热湿传输特性，综合考虑传导、对流、辐射、扩散等现象，建立反映 人体着装动态过程湿分和温度分布的数学模型，并对模型进行离散化处理，利用 m a t l a b 语言编制反映人体一服装一环境体系内部温度场、湿分浓度场等物理量场的计 算机程序，在一定的定解条件下，模拟分析人体在不同的活动工况下的动态热湿传 递规律，同时对相关参数以及这些参数值随时间的变化规律进行分析。这一研究成 果将不仅丰富传热传质理论，也将为实际人体着装热湿舒适性的仿真研究奠定基础。 1 2 人体着装热湿舒适性研究发展与现状分析 对于人体着装热湿舒适性的研究，最早是在二次世界大战期间基于为军需军备 服务而逐渐发展起来的。从初期到深入研究已有6 0 多年的历史。随着形势的变化和 研究的深入，其研究范围也在不断扩展，逐渐走向民用和特殊用途相结合，并已发 展成了一个独立的研究范围和研究方向。 1 9 3 9 年，h e n r y z 提出一个动态下织物传热传湿的微分方程； 矗。缸c 啦占) 鲁= 警争 q 要一 o a c f , 一圣器 这个方程是研究服装动态传热传湿的基础，通过假定纤维中的吸湿量线性依赖 于温度和空气的湿度，并且纤维与邻近空气达到平衡是瞬间的，得到了一个解析解。 1 9 4 1 年，a p g a g g e 和a g b u r t o n l 3 1 提出了人体着装静态模型，其模型主要是 假定人体的热质交换只在着装外表面进行，着装和皮肤闻包裹的空气层只起到消极 的作用。 1 9 6 7 年，n o r d o n 和d a v i d l 4 1 为了改进l e n r y 的模型，提出了反映纤维的含湿量与 环境相对湿度之间动态关系的经验型第三式，利用计算机和给定内外边界条件和初 始条件求解，首次得到了织物内湿分浓度与温度的时空关系。但是，他们忽略了纤 维的吸附动力学原理，认定吸着率为常数，并认定纤维的含水率的变化率与空气和 纤维的相对湿度的绝对差值之间存在一个指数关系。 1 9 8 6 年，b f a r n w o r t h s 提出了一个通过服装传热传湿的数字模型，模型中对 服装中的水汽状态进行了细致的研究，将之分为三个部分( 织物孔隙中的水蒸气、织 物纤维中的吸收水量、织物纤维吸收水汽达到饱和后凝结在纤维表面的液态水) ，并 分别进行了分析。 1 9 8 9 年，俞建勇、赵书经【6 1 进一步研究了热湿传递动态特性，探讨了纤维捧列方 2 第一章绪论 向和空隙率对熟阻的影响，龚文忠研制了织物传湿和热湿动态传递测试仪，论述了织 物与其传热传湿性能的关系、 1 9 9 2 年，李毅和h o l c o m b e l p 3 l 在h e n r y 建立的传热传湿方程的基础上，结合 d o w n e s m a c k a y 等证实的纤维吸湿速率的两阶段性提出了半经验计算公式，该公式 主要应用于毛类等吸湿性强的织物。不久，范劲图( 音译) 、罗中轩( 音译) 、李毅在 以前模型的基础上提出进一步完善的多孔服装织物的传热传湿模型，模型中结合了 水分的吸收与凝结的影响，并首次将辐射传热考虑到模型中来c ”。 1 9 9 6 年，j c b a r n e s 和b v h o l c o m b e l 5 1 t 庄“m o i s t u r es o r p t i o n a 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 ”一文中阐述了在大量显汗状态下，由人体运动引起的吸 湿性服装在靠近皮表时，从皮肤处吸收水汽、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。 2 0 0 0 年，t n i s h i m u r a 佛l 【5 2 l ( 日本) 提出了一个对织物的湿分传递特性进行数值 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。 2 0 0 1 年，w z h o n g 和x d i n g p l ( 中国) 在纤维束液态吸水的模拟与分析中，假设 纤维分子和水分子及水分子之间的相互作用主要为范德华力，计算纤维柬和液态水 之间的黏附力和水本身的吸附力：表面张力，按其对系统能量的作用考虑在内为了 测试模型i 狗有效性，试验检测了一系列具有相同的纱支但纤维细度不同的聚丙长丝 的纱线计算机模拟也描述了纤维束吸水高度和时间的关系，试验和模拟结果是一致 的 2 0 0 2 年，z h u 和l i 【5 3 l 采用有限体积元的方法开发7 对热、湿和液态水交互传递模 型的数值解法，并对这种方法的收敛性和精度进行详细的分析，确定了这种方法的可 行性和可靠性 2 0 0 3 年，大连理工大学的李风恚在织物热湿传输机理模型研究【1 0 l 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，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 2 0 0 4 年，苏州大学的何超英【n l 设计并锖g 作了晟煮新想发汗方式的出汗暖体箍午， 该装置所模拟人体表面的发汗量和相对湿度均匀稳定，模拟皮肤表面的相对湿度数 值可依据实验工况的要求进行调节。同时，该装餮可运用于一些特殊防护服面料透 湿性能的测试和比较，能对面料在多种热湿工况下进行热湿性能测试，以满足特殊 条件下的服装卫生要求。该装置还侧重于各种面料透湿性能的测试，能够实现服装 3 面料传热传湿中热湿偶合的测试。 近年来，计算机技术的飞速发展，为科学研究提供了先进的手段，使得复杂的 传热传质理论中偏微分方程的求解和对实际热质传递过程的模拟成为可能，也给服 装热湿舒适性的研究开辟了广阔的前景。许多学者开始将研究重点转向用数学关系 描述服装热湿传递的过程，并将人体、服装和环境有机地结合起来努力实现对该过 程的动态模拟。 综上所述，该领域的研究已取得了一系列成果并逐步走向深化。随着研究的深入 开展。服装热湿舒适性研究的理论意义和实用价值使之逐步拓宽为多学科交叉、具 有广阔前景的研究方向。 1 3 本文的研究内容和主要工作 综上所述，现有的热湿传递理论模型尚不完善，有待于进一步分析和研究。 1 3 1 本文的研究内容 本文从着装效果方面展示动态仿真效果，着重探讨将织物热湿传递模型与服装 内部空气层模型有机结合，建立人体着装热湿舒适性的动态仿真模型。 首先以人体一服装一环境体系为研究对象，应用表征性体积单元概念及连续介质 的分析方法，依据质量、能量、动量守恒等基本定律，结合热湿传输特性，考虑辐 射、对流、传导、扩散、相变、热湿耦合等现象，建立了反映人体着装动态过程湿 分和温度分布的数学模型；然后对机理模型进行了离散化处理：进一步利用m a t l a b 语言编制了反映人体一服装一环境体系中内部温度场、湿分浓度场等物理量场的计算 程序，获得了在多种量场协同作用下反映人体着装过程的多种物理量的动态变化图 和各网格节点处的温湿度值以及这些参数值随时间的变化规律，同时利用所编程序 对人体在不同活动工况下的热湿特性进行了动态模拟分析，分析了在不同时刻热湿 传递的规律，最后，用实验方法验证了理论模型的可靠性。 1 3 2 主要工作 在大量查阅分析国内外相关文献资料的基础上，具体研究工作如下： l 、从宏观和微观的不同角度深入分析人体着装过程中热湿传递的机理及影响热 湿传递过程豹主要因素。 2 、将织物热湿传递模型与服装内部空气层模型有机结合起来，建立能够反映着 装人体各种热湿传递现象的较为完善的理论模型。 3 、对所建立的模型进行离散化分析和数值模拟求解，并用舭t i a b 语言编制数 值求解程序，获得多种物理量的动态变化图 4 第一章绪论 4 利用已有的实验数据验证建立的数学模型，把验证过的数学模型模拟实际人 体着装的动态热湿传递过程，在综合考虑人体热湿、服装及环境等因素的条件下，获 得在多种场协同作用下反映人体着装过程的动态热湿分布图。 5 、对人体在不同活动工况下的热湿舒适性进行动态仿真，分析穿衣过程、从静 坐到轻度劳动、从轻度劳动到中度劳动和从静坐到重度劳动过程中热、湿和水蒸汽 分压力随时间的变化情况。 第二章热湿舒适性机理 第二章热湿舒适性机理 2 1 热湿舒适性影响因素分析 衡量舒适性的标准是人体、服装和环境之间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，它是环境工况、人体活动水平和服装特性等诸因 素综合协调的结果【捌。可概括归纳如下： 厶佳餐遣照 十 厶佳窆夔 活动水平、生理状态 心理状态 微小气候特性 温度、相对湿度 透气性、热湿阻 十 监 巫擅窆熬 温度、湿度、风速 大气压力、辐射强度 一l 壁装遂盐叁夔 开口率、织物层数 服装舒适量 鳃塑叁数 化学性质( 纤维类型与化学后整理) 物理性质( 织物厚度、空隙率、结构) 第一是人的心理、生理因素活动水平。如人的存在状态包括生理状态和当前所 处的心理状态( 心情x 人的身体情况，人的历史的或现在的体力活动求平，存在于 人体内的着装期望度以及人的生活习惯，等等。 第二是微小气候。作为穿着时舒适性的主要因素。主要着眼于服装与皮肤间的 微空间，即衣服与皮肤问的微小空间温湿度和气流、皮肤由于服装而受到的服装压 和透气性、肌肤触感。 第三是衣料和服装的性能。服装作为人体与外界环境热湿传递的介质直接影响 两者之间的热质交换，服装层的作用就是在人体和环境之闻形成一微小气候，调节 人体热景和湿分的散失过程，从而弥补人体有限的热量和湿分调节能力，使人体在 变化无常的外界环填中始终处于舒适的温湿度状态。 6 青岛大学硕士学位论文 第四是环境条件。包括温度、湿度、气流、气压、光、辐射等自然环境以及人 文特色的社会环境。而环境条件，对人体的感觉来说，是气温、湿度、风速、和辐 射等综合作用的体现，即人感觉到的冷、暖、闷热、潮湿等是一种综合感觉。 当以上因素达到平衡时，人体则处于舒适状态，这个平衡反映在图形上为： 2 2 服装热湿舒适性机理分析 服装热湿舒适性能取决于服装结构传热传湿过程的特征。除了服装固体骨架的 结构特点差别很大，难以精确地加以描述之外，还存在着热迁移和湿迁移的相互交 联作用。从宏观角度看，服装作为纺织纤维和空气的集合体，其传熟传湿途径包括 传导、对流、辐射和伴随着水汽运输而发生的潜热传递，如图2 1 所示。图2 1 ( a ) 表示通过人体皮肤、微小气候层、服装层与环境之间所发生的复杂的热质传递现象 “， 图2 1 ( b ) 表示了从皮肤到服装层的热湿传递规律。 图2 1 ( a ) 人体服装环境系统 图2 1 ( b ) 鹅漫传递示意图 7 第二章热湿舒适性机理 由于服装材料内的缝隙孔洞较小，对一般服装，对流和辐射的传热效果在常规 使用条件下小于热传导对传热所作的贡献。另外，由于纤维导热系数远大予空气导 热系数，沿纤维轴向的导热系数远大于沿纤维径向的导热系数，故热量势必沿最小 阻力途径传递。 2 2 1 服装热量传递的三种基本形式 所谓传热就是由温差而引起的能量转移。不论什么时候，只要在一种介质内部 或是在两种介质之间存在温差，就一定有传热发生。我们把不同类型的传热过程称 为传热的不同模式。 2 2 1 1 热传导 热传导是热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分的传递，或者从一个高 温物体向另一个与其接触的低温物体的传递。透过服装的显热传递是一种能量传递。 在实际穿着过程中，热传递和湿传递并不是相互孤立的因素，而是相互影响、彼此 相关，并且往往是同时发生的。将热湿传递综合起来考虑，即考虑湿热传递更符合 实际穿着条件，湿热传递是一种质量携带能量的传递过程，也就是由于水蒸汽的传 递而带走汽化热的物理化学过程，它与纺织材料的吸湿机理密切相关。 在人体一服装一环境体系中，由于人体活动水平和环境工况的不同，在人体与 环境之间存在着水汽浓度差( 或称水汽压力差) ，从而借助于服装材料的吸放湿作用 和织物中的孔隙产生了质量( 水蒸汽) 传递。所谓质量传递是指在一个含有两种或两 种以上主分的流体中，若存在着浓度梯度，则每一组分都有向低浓度方向转移以减 少这种浓度不均匀趋势的现象。在稳态情况下，通过服装材料的水蒸汽传递过程可 d a f i c k 定钭”1 来描述。 m = 一d f a c r 2 2 1 2 对流 对流的传热模式由两种机理组成。除了由于分子的随机运动( 扩散) 造成的能量 传输以外，流体的成团或者说是宏观运动也同样传输能量，这种流体运动在任何情 况下都伴随着大量分子的整体运动。当存在温度梯度时，这种运动将引起传热，由 于处于整体运动中的分子还保留它们的随机运动，因此，总的传热是分子随机运动 和流体成团运动形成能量传输的叠加。这种双重作用下的传输习惯上称为对流。 就服装而言，当人体、皮肤与服装内表面存在温差时，就会发生对流传热，流 体为水蒸汽。根据流动的特性，服装微小气候中的对流传热属于自由对流，即这种 流动是由流体中的浮升力引起的。这种浮升力是由伴随着流体中温度变化而产生的 浓度变化所形成的。对流这种传热模式是靠水蒸汽分子随机运动和边界层内水蒸汽 的成团运动来维持的。在靠近皮肤表面的地方，水蒸汽分子运动的速度很低，水蒸 汽分子的随机运动( 扩散) 通常起支配作用。 青岛大学硕士学位论文 2 2 1 3 热辐射 辐射散热是一种非接触式传热，是以电磁波的形式传递热量，任何物体只要有 温度就能发射红外线，人体各部位温度一般为1 5 3 5 c ，它发射的红外线g o 以上的 波长在6 4 2 u m 之间，属于中红外线和远红外线【1 6 1 。辐射与周围空气的物理特性( 气温、 湿度、风速、气压等) 无关，它只取决于物体的表面温度、黑度和着装下的有效辐射 面积，温度越高，黑度越大，有效辐射面积越大，则辐射本领也越大。人体被服装 覆盖，且人体与服装内表面之间存在水汽，但人体与服装表面之间的水汽对辐射传 热是没有影响的。 2 2 2 服装湿传递的机理分析 服装作为皮肤与外界环境之间的介质，对汗液的蒸发有一定的阻碍作用。大多 数情况下，皮肤表面温度要高于外界环境温度，这就使得从皮肤蒸发的汗水在服装 表面上凝结，并在整个服装面料中重新分配，然后再重新散发到外界环境中去。 对于服装的湿传递，同样由于服装材料内部的缝隙孔洞较小，在一般使用场合 下对流传热传质现象较少出现，故认为服装材料的传湿途径有： 1 、水蒸汽通过服装纱线之间、纤维之间和纤维内部空隙进行传递。 2 、由于服装材料具有定的吸湿和放湿能力，皮肤出汗时，衣下空气层的相对 湿度很高，服装材料吸收水汽后，相对湿度增加，并向相对湿度较低的周围环境放 湿。当服装被汗水浸湿时，呈液态的水分由于毛细作用被传递到服装外表面，向周 围环境蒸发。 3 、人体运动时，由于衣下空气层的对流作用，使湿度高的衣下空气与周围湿度 较低的环境空气进行直接交换【州。图2 3 明确地描述人体一微小气候- - n 装一环境体 系的湿交换过程。 p l 鼽 p 喙 ，| r - 一 嚣 捕7 图2 3湿交换过程 凡 l - 人体出汗实际上是一个从无感蒸发到全身大量出汗的渐进过程，从湿润皮肤蒸 9 第二章热湿舒适性机理 发扩散的水汽质流通量也是从一个很小的值开始，在热应力作用下它继续增高直至 表面蒸发通量保持不交，即皮肤表面湿平衡。在人体实际穿着过程中，皮肤表面的 汗水开始蒸发，蒸发的水汽扩散并聚集在服装与人体之间的微气候中，使微气候的 水汽浓度升高，由于浓度差的驱动力作用，水汽继续扩散至服装内表面，其中一部 分直接扩散到服装中的空气中，而另一部分则凝结在服装中的纱线表面上，并被服 装吸收并渗透扩散到服装外表面，然后通过再次蒸发扩散到外界环境中。随着人体 表面汗液的不断蒸发，微气候中的水汽浓度也将饱和，导致服装内表面凝结水的增 加，使服装逐渐湿润，直到服装没有更多湿气或凝结汗水可以吸收。此时人体一微 小气候一服装一环境系统之目的湿传递己达到平衡，服装表面水汽扩散通量不再发 生变化。 2 3 人体着装后热湿舒适性机理分析 2 3 1 人体着装散热、散湿机理 人体的生命运动使得人体每时每刻都在产生热量，分泌汗液。为了维持生命的 正常运行，人体的产热和出汗( 感知或非感知出汗) 必须通过一定的途径排向外界环 境。人体的产热量与新陈代谢量有关，人体散热可通过导热、对流、辐射和捧汗的 方式向外传递，其中通过导热、对流、辐射方式所传递的热量称为显热。 当人体与环境的温差很小时，热量就无法完全阻显热的方式进行传递，此时人 体调节功能使得人体以出汗的方式来排放热量，汗液的蒸发要吸收汽化热，由此来 达到人体的热平衡。在排放相同热量的条件下，人体与环境的温差越小，排汗量越 大，捧出的汗液是以蒸发传湿的方式传给外界环境。着装时人体捧汗的蒸发会受到 一定的阻碍，服装阻碍人体汗液蒸发和传递的程度可用织物湿阻来表示。湿量从人 体表面传递刭外界环境要经历微小气候、服装和服装外储空气边界层这三个环节， 三个环节的湿阻之和为总湿阻，同样，着装对人体显热传递的阻碍程度可用织物热 阻来表示。人体生活在热力状态不断变化的环境中，而从舒适的角度来看，人体需 要合适的温湿度环境。因此，人体着装就是秀了适应不断变化的气候环境：服装面 料熟、湿舒适性指标就是指服装面料对人体与周围环境之问热湿交换的调节能力。 热、湿舒适指标主要是指服装面料的热阻和湿阻。 2 3 2 人体着装热湿传递物理模型 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o o 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 ，最高界线为4 2 。一般人每天散失水分为0 5 一1 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 4 所示的快感带” 青岛大学硕士学位论文 囊 类 曼 圈2 4 人体体表快感带 由图2 4 可以得出，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闻就需要一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闯形成的微小气候的状态处于快感带内， 则人体感觉非常舒适，达到了人体着装的目的，如图2 5 所示。 1 0 0 9 0 在 皿曩8 0 内7 0 滋 虞 6 0 争i 啪) 5 0 腰皱山溉应( ) 图2 5微小气候与舒适感的关系 牟 区 域 良好盼着装感觉有心理与服装、物理与服装两个方面，但是，服装一旦被人们 1 1 第= 章热湿舒适性机理 所接受，便己说明其不再存在心理问题，所以，这里要探索的是物理与服装方面的 感觉。其中人体着装后要考虑的主要因素如图2 6 所示。 日。 。， 山 。 r ，。 人 襞 。内。宝 。4解 体 气 f 一。 ，壳 疆、? ： l 千 僻t ，枣，。 屡 ， r i “ j 7 i 。：一0 上。 l 图2 6人体服装环壤功效系统园素分析 在服装多层结构中，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。 人体着装过程中服装不断的从体表吸收热量，温度升高，服装内水分也在被蒸 发，不断的减少，服装内水分的减少和温度的变化影响到织物的导热系数、周围空 气的温度和含湿度，从而影响服装的传热、传质现象，传热的变化又反过来对水分 的蒸发动力产生影响总体来说，这是一个热湿传递不断相互影响的复杂过程。此 过程的传热及传质动力如下l 列： 1 ) 传质动力：由于服装表面形成的饱和空气层和空气中的水蒸汽分压力不同导 致服装织物表面和空气中的水分进行对流质交换。 2 ) 传热动力：从体表吸收的热量全部提供给织物本身。又因为服装较薄，可将其 视为一个整体，其与体表闻的传热以导热为主，对流和辐射传热可次之。 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，面且与人体不同 的活动状态直接相关。 具体传热传质方式如图2 7 所示。 青岛大学硕士学位论文 图2 7物理模型结构示意图 图2 7 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 经外衣层传向外部环境，从而达到人体与自然环境之间的热湿交换平衡，具体可用 以下方程式表示【2 l j 式中： ，挖一w c r e s = 0 m 一人体能量代谢率；w 一人体所傲的机械功； c 一人体外表面向周围环境通过对流形式散发的热量； r 一人体外表面向周围环境通过辐射形式散发的热量； e 一汗液蒸发和呼出的水蒸气所带走的热量ls 一人体蓄热率。 可见，人体向环境散发的热量c 、r 、e 与客观环境因素以及人体自身热状态因 素有关。环境因素包括环境温度、相对湿度、风速等环境参数，自身热湿状态因素 为人体温度、出汗等生理反应因素。 1 3 第三章人体着装仿真分析 第三章人体着装仿真分析 原来的系统动态特性的分析主要是借助于实验研究探讨，在理论上只能进行简 单的定性分析，因为系统的动态特性与稳态特性相比复杂的多。如果对一个系统进 行动态分析，则系统内各参数既是空间位置的函数，又是时间的函数。因此必须借 助于仿真技术建立系统模型，在计算机上模拟出系统运行的动态过程，从而对系统 的动态特性进行理论分析。 3 1 仿真系统概述 现代科学技术中，计算机技术被认为是发展最为迅速的学科分支。计算机仿真是 这个分支与其它门类学科密切结合的产物，是指在计算机上或者实体上建立系统的 有效模型( 数学的、物理效应的、或者数学物理效应的模型) ，并在模型上进行 的系统实验在进行实际系统的分析、综合与设计的过程中，人们除了对系统进行 理论上的分析计算外，常常需要对系统的特性进行实验研究。这种实验研究一般有 两种：一种是在实际的系统上进行实验，另一种是在模型上进行。许多情况下，如 果在真实系统上进行实验往往不经济或者不安全。有时甚至做不到或者没有意义。 因此在实践中出现了用模型代替真实系统的方法，并逐渐发展为仿真技术。 仿真是在模型上进行的，按照模型的性质不同，可以将仿真分为物理仿真和计 算机仿真模型是对实际系统的一种抽象，是系统本质的表述，是人们对客观世界 反复认识、分析，经过多级转换、整合等相似过程而形成最终结果，它具有与系统 相似的数学描述或物理属性，以各种可用的形式，给出研究系统的信息嘲。正确建 立的模型，能更深刻更集中地反映实体的主要特征和运动规律，从而达到对实体的 抽象。从这一点上说模型更优于实体而所谓物理仿真是用一个根据系统之间的 相似性丽建立起来的物理模登去完成实验 计算机仿真是用数学形式表达实际系统的运动趣律，数学形式通常是一组微分 方程或差分方程，然后用计算机来解这些方程。在这里。描述实际系统运动规律的 数学形式称为数学模型，用来解数学方程的计算机可以是模拟计算机，也可以是数 字计算机。 仿真按照被研究系统的工作状况又可分为稳态仿真和动态仿真。稳态仿真主要 用于预测一定工况下系统稳定运行时所表现出来的系统性能，而动态仿真则是对系 统开机、运行、变工况、关机等一系列过程的研究阱1 。 1 4 仿真主要工作流程内容为： ( 1 ) 系统定义根据仿真目的，规定所仿真系统的边界、约束条件。 ( 2 ) 数学建模根据系统实验知识、仿真目的和实验资料来确定系统数学模型的 框架、结构和参数。模型的繁简程度与仿真目的相匹配，要确保模型的有效性和仿 真的经济性。 ( 3 ) 仿真建模根据数学模型的形式，计算机的类型以及仿真目的将数学模型转 交成仿真模型，建立仿真试验框架。应进行模型变换正确性校核。 “) 装载利用仿真软件将仿真模型输入计算机设定实验条件及记录变量 ( 5 ) 实验根据仿真目的在模型上进行试验。 ( 6 ) 结果分析根据实验要求对结果作分析、整理及文档化。根据分析的结果修 正数学模型、仿真模型、仿真程序，以进行新的实验。 3 2 数学模型创建 3 2 1 问题的提法 当人体皮肤发汗后，水汽透过衣料中的微小孔隙传递到外界环境达到散热降温 的目的。水汽在服装内停留对，由于服装材料具有吸湿能力，会有部分的水汽被 吸收掉，这部分水汽从气态变为液态，释放出吸收热，这样服装材料中的纤维就会 被加热使服装温度升高，而温度升高后将会改变服装材料以温度为驱动力的显热传 递，反过来又势必会影响服装的饱和水汽压力等其它状态参数的改变，导致传湿能 力的变化。在这个热湿传递过程中发生着许多复杂的现象，这些现象的一个共同特 征是发生了位移或运动( 称为输运现射1 4 】) 。输运现象实质上是发生着质量的迁移 与力的传递，印发生着质量传递和动量传递现象。由于质量传递和动量传递离不开 能量传递，因丽热湿传递必然伴随着能量输运现象。这就需要建立相关的数学模型 来反映人体着装过程中复杂的动态热湿传递过程。 3 2 2 基本假设条件 根据人体着装热湿传递机理及建立数学模型的需要，可作如下假设 ( 1 ) 人体近似予圆柱俸且各部分发汗量分布均匀，服装材料为均匀各向同性 的连续介质，吸水和蒸发后的体积不变固、液、气三相处于热力平衡 状态。 c 2 ) 忽略由于压力梯度造成的热湿迁移和层与层内外表面处的蒸发潜热 ( 3 ) 流体流动时产生的压缩功和粘性耗散可忽略不计，流体流动符合d a r c y 定律。 ( 4 ) 内各局部区域同、气、液三相处于热力学平衡状态且气态物质满足理想 气体状态方程。 第三章人体着装仿真分析 3 2 3 数学模型的刨建 3 2 3 1 连续介质的守恒方程 考虑到上述问题，并基于前述假设条件，求解与流体中动量、质量、能量传递 有关的问题时，首先应根据基本的守恒定律对该物理系统建立非稳态三维微分方程 组，这些方程组包括； a 连续方程( 质量守恒) b 运动方程( 动量守恒) c 能量方程( 能量守恒或者热力学第一定律) d 组分守恒方程( 组分守恒) 这些方程式有时被称为变化方程式嘲，一般它们描述的是系统内速度、温度和 浓度相对于时间和空间位置的变化规律。 一、质量守恒方程的建立 在流场中取一个微元控制体缸、缈、& ，依据质量守恒定律有( x 、y 、= 分 别指正交坐标系盼三维坐标) ； ( 萎冀皇1 = 匿望鬈的) + 翥黧挲蛐) 。- n ， l 质量积累率i 质量生成率jl 水蒸汽挣通量j 。” 水蒸汽流入控制体的通量为： 斗* a y 缸+ ”_ 缸缸+ ”一蛐 3 一( 2 ) 水蒸汽流出控制体的通量为： 。妇匈泣+ 盘& + 妇如分 3 一( 3 ) 控制体内水蒸汽质量积累率； 擎蛐衄， d r 3 - ( 4 ) 单位对问内控制体中水蒸汽的生成率为， 坞出 3 一( 5 ) 代入守恒式3 一( 1 ) ，以缸如& 遥除各项，并取缸、母、越趋于零时的极限，得。 誓；一冬一冬一譬+ 3 - ( 6 ) 钾叁a i ，惫 1 青岛大学硕士学位论文 改写为矢量形式 娑：捌帆+ 3 - ( 7 ) 当有主体流动的条件下，水蒸汽相对于固定坐标的净通量等于该组元的分子扩 散通量与该组元随主体运动的对流扩散通量之和咖： 露2 一卢v q + p y 3 - ( 8 ) 将式3 一( 8 ) 代入3 一( 7 ) 式得水蒸汽、干空气二元扩散系中水蒸汽质扩散方程： 石a p , = 撕( 岛矿) + d i v ( p d 。, g r a d e o , ) + 3 - ( 9 ) 将上式改写为极坐标形式为： d z v ( p , o d 。v 2 岛+ 孕一= o 3 - ( 1 0 ) 眠华+ 成警+ u r a 务p , + p ，+ , a 印v 口, + 等等+ 岛警+ 沈警 一争( r 等+ 誓+ 手等+ ，等) + 鲁。 。， 整理得： i 一纠等+ 争等+ 以警一争号砖+ 鲁+ 竽+ 岛警+ 孚 等碡1 = o 二、能量守恒方程的建立 热是能量的乙种形式，物体的热含量( 也称焓) 是指一定质塞的物体在高于规 定的基准温度和压力下，所具有的热能总和。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。流体的能量e 由其内能u 和动能 尘_ = ! ：竽两部分组成嘲即：e ：u + 生_ = 三：；! 。经过微元控制体的六个分界面 流入流出能量的总和应等于该容积中流体能量的变化率。 1 7 第三章人体着装仿真分析 嗜燃入) 一( 徽出) = ( 蒹纛兰一3 卅s ，i 的能量净通量j【的能量净通量jl 存储能量的增量j 根据能量守恒定律，得能量方程： p 盟；一d i v 茸一p d i v v + o p 百一9 一 w 3 一( 1 4 ) 转变成的热能为： 一2 v ( d i v v ) 2 + z 【辔2 + 磅2 + 辔2 + 售+ 叁2 十e + 参2 + 售+ 旁“ 。一。，。， 对于低速流动，能量耗散函数与其它各项相比甚小，也可略去不计。由于水蒸 汽凝结时会放出大量热量，以内热源靠的形式进行处理。则得能量方程式的温度表 达式， d t = 圳- + m 留+ 哮 。州。， 对于理想气体，= o 在这表示能量耗散函数，由于该项与其他项相比甚小，故可略去。 靠内热源项，口r 。a h r ，i 日相变潜热 蒸发( 或冷凝) 量( 体表散湿量) 郎p c 鲁= r 一胁，+ 卯鲁， 将式3 - ( 1 7 ) 按照柱面坐标展开先l 卢滢心石0 1 + 等器+ 如誓) = 手降( ，詈) + 专e 嚣) + 鲁0 别+ 谶+ l 要+ “，妻+ 等嚣+ ”，鲁l d 要+ 蚱署+ 了u 丽e + 罢) = 2 矿d 2 t + p 五- 孑+ 譬+ f 赛扣，罢+ 等雾+ 如鲁卜矾 31 8即 ，、 。 一() 青岛大学硕士学位论文 三、动置守恒方程的建立 热湿作为连续介质从皮肤表面传递到外界环境时，除要受到质量守恒的制约外， 还必须同时遵守牛顿第二定律所反映的动量守恒定律。将动量守恒定律应用于空气 层中所取的微元控制体，根据粘性流体力学中著名的纳维尔( n a v i e r ) 和斯托克斯 ( s t o c k e s ) 9 亨程嘲： p 尝= 一芸+ 去陬安一2 倒w p q + 号似参+ 爱，+ 昙t 毫+ 等。m 。， p 尝= 一善+ 去唁+ + 争砖号胁刁+ 鲁瞎+ 挚。吨。， p 鲁= 廊一警+ 昙c 毫+ 睾，+ 昙m 专+ 参，+ 毒跏警一；脚明。吨。， 整理成矢量形式得： p 而d v = 声一v p + v 跏嗍一；肋矿 3 - ( 2 2 ) 其中 阿= a i 缸 1 ，a i 知、 i 写+ 犁 1 ，钿跏、 五畴+ 犁 三枣