（纺织工程专业论文）服装空气层热湿传递机理研究.pdf

摘要 、s 2 2 7 j ， 本文通过全面考察分析前人对服装热湿舒适性的研究，发现服装空气层热湿传 递研究尚没有较为完善的理论模型和较为系统的模拟方法，因此围绕服装空气层建 立了一种新的热湿传递机理模型。该模型以服装空气层( 包括微小气候) 为研究对 象，依据表征性体积单元的概念，应用连续介质的分析方法，利用热量、质量、动 量传递的基本规律，并考虑服装空气层热湿传递过程中的相变、对流、渗透等现象， 建立起反映服装空气层温度场、湿分浓度场、气相总压场以及速度场变化规律的物 理和数学模型，相应地建立了质量守恒方程式、运动方程式、能量守恒方程式以及 总压分布数学模型，本文还给出了模型的初始条件和边界条件，并对模型中的主要 参数进行了分析。 对建立的空气层热湿传递数学模型、边界热质传递方程、温度场边界节点方程 式、压力场边界条件等采用有限差分方法中的完全隐式差分方法进行离散化分析， 将空气层模型的速度分布、湿分分布和温度分布三大偏微分方程及内、外边界条件 方程变换为节点方程式，通过数值计算求得空气层各网格单元节点处的湿分浓度值、 速度值和温度值。之后，用计算机m a t l a b 语言编制了数值求解程序进行数值求解。 本文还通过所编制计算机程序，利用服装空气层的热湿传递模型，对人体着装 的服装结构变化、服装特性变化、环境工况等几种特定情况下服装空气层的温度场、 湿分浓度场和总压分布场进行了仿真分析，得出了空气层对服装热湿舒适性的影响 规律。除了能够获得试验易测数据外，还可得到任意时刻服装空气层内部的温度场、 水蒸汽压力场分布，也能确定任意时刻的热流和质流通量。 关键词：服装空气层 数值求解 答辩日期： 机理模型热湿传递 仿真分析 指导教师签字： 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 wa n da n a l y s i so ft h er e s e a r c ho nt h eh e a ta n dm o i s t u r e c o m f o r tt h r 0 1 i g h c l o t h i n g ，w ef i n d t h a tt h e r eh a s n tb e e nac o m p a r a t i v e l yc o m p l e t e t h e o r e t i c a lm o d e la n dac o m p a r a t i v e l ys y s t e m a t i cs i m u l a t i n gm e t h o d s o ，c e n t r a l i z i n g t h eg a r m e n ta i r ，an e wm e c h a n i s mm o d e lo f h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e ri sp r o p o s e di nt h i s 也e s i s i nt h i sm o d e l ，w er e g a r dt h eg a r m e n ta i rl a y e r ( i n c l u d i n gt h em i c r o - c l i m a t e ) a st h e r e s e a r c ho b j e c t a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fc h a r a c t e r i s t i cu n i t eo fv o l u m e ，w ea p p l i e d t h ec o n t i n n u mm 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 dm o m e n t u m t r a n s f e r a tt h es a m et i m e ，m u c hp h e n o m e n o na r et a k e ni n t oa c c o u n t ，s u c ha st h ep h a s e t r a n s f o r m a t i o n ，t h ea b s o r t i o no fm o i s t u r e ，t h ed e s o r p t i o n ，t h ec o n v e r t i o no f a i ra n dt h e p e n e t r a t i o n ，a n ds oo n t h e nan e wp h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d ，i n w h i c ht h el a w sa b o u tt h ec h a n g eo f t e m p e r a t u r ef i e l d ，w e tc o n c e n t r a t i o nf i e l d ，g a sp h a s e f i e l da n dv e l o c i t yf i e l di nt h eg a r m e n ta i rl a y e r ，i sw e l lr e f l e c t e d a c c o r d i n g l y ，a n o t h e r m a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c hi sa b o u tt h ec o n s e r v a t i o ne q u a t i o no fq u a l i t y ，t h em o t i o n e q u a t i o n ，t h ec o n s e r v a t i o ne q u a t i o no fe n e r g ya n dt h eo v e r a l lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，i s a l s oa b t a i n e da n dw ea l s om a d ea na n a l y s i sa b o u tt h em a i n p a r a m e t e r s i nt h i sm o d e l d u r i n g t h e p r o c e s s o f p a r a m e t e ra n a l y s i s ，w e t a k et h r e em a i n s t e p s f i r s t ，u s i n g t h e c o m p l e t ei m p l i c i t d i f f e r e n c em e t h o d ，o n em e t h o do ff i n i t ed i f f e r e n c e ，w em a k ea n a n a l y s i so f v a r i a n c ea st ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rt h r o u g h c l o t h i n g ，t h eb o u n d a r yt r a s f e re q u a t i o n ，t h eb o u n d a r ye q u a t i o no fv e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ， w e td i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，i n c l u d i n gt h e i ri n n e ra n do u t e rb o u n d a r y c o n d i t i o na r et r a n s f o r m e di n t on o d e e q u a t i o n s 1 1 1 e n ，t h r o u g hn u m e r i c a ic a l c u l a t i n g ，w e g e tt h ev a l u eo f t h e w e t c o n c e n t r a t i o n ，t h ev e l o c i t ya n dt h et e m p e r a t u r ea tt h en o d ep o i n t o ft h eg r i du n i t e f i n a l l y ，w eu s em a t l a bt od e s i g nap r o g r a m ea n dt h r o u g hi tm a k et h e n u m e r i c a le a l c u l a t i o n i na d d i t i o n ，b yv i r t u eo f t h ec o m p u t e r p r o g r a m e ，t h i sn e w m o d e lc a na l s ob eu s e dt o s i m u l a t et h eh e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e rp r o c e s si nm i c r o c l i m a t eu n d e rv a r i e db o u n d a r y c o n d i t i o no fh u m e nb o d y ，c l o t h i n ga n de n v i r o n m e n t a n dt h r o u g hi t ，w ea n a l y z e dt h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ew e tc o n c e n t r a t i o nf i e l da n dt h eo v e r a l lp r e s s u r ef i e l d t h er u l e s a b o u th o wt h ea i ra f f e c t st h eh e a ta n dw e tc o m f o r to f g a r m e n ti sa b t a i n e d b e s i d e st h e e a s i l y a c c e s s i b l e e x p e r i m e n td a t e s ，w ec a na l s oa c q u i r et h ei n s t a n td i s t r i b u t i o no f t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ev a p o u rp r e s s u r ef i e l di n s i d et h eg a r m e n ta i r a n dt h ei n s t a n tf l u x o f b e a ta n dm a s sc a na l s ob e g o t k e y w o r d s ：g a r m e n t a i rl a r y e r t h e o r e t i c a lm o d e l h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f h n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s i m u l a t i o n a n a l y s i s 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 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的需要，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衡。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 热湿特性等诸因素综合与协调的结果，构成了服装热湿舒适性的内涵。 服装穿着舒适性的研究主要集中在主观评价和客观评价两个方面。主观方 面主要是指心理上的舒适性，包括服装的颜色、款式和对某种场合穿着的舒适 性等；客观评价方面包括服装对人体的刺痒感、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，其影响因索众多，热湿耦合过 程复杂。从另一角度讲，评价服装的舒适性能主要有服装的热舒适性、湿舒适 第一章绪论 性、和接触舒适性：热舒适性能主要衡量服装保护体温的保暖性；湿舒适性能 又分为汽态湿舒适性和液态湿树湿性；接触舒适性主要鉴别人体穿着服装湿的 接触感官的柔软、刺痒、冷热干、卫生性能等。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集中在以下几个方面：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 出研究对蒙的物理和数学模型。包括选取和确定一定的最化指标和描述体系， 通过设计实验( 如服装空气层仪、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，以便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。 目前，服装热湿舒适性的研究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。 第一章绪论 另外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真正建立 起来。 本课题以人体与服装层之间的空气层( 包括空气夹层和微小气候) 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 以及处于不同工况时热湿舒适性变化的数学模型，为环境一服装一人体这一服 装热湿舒适性仿真研究奠定基础。 第二节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 多年的历史，国内外专家、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拓 展，逐渐走向民用和各种特殊用途相结合，现已发展成为一个独立的、多学科 交叉的研究领域。 一、早期的综合基础研究 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 gb u r t o n “1 提出了服装隔热保温指标c l o 值。它 第一章绪论 的定义是：在室温2 1 。c 、相对湿度5 0 、风速0 i m s 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 i o 。此时人体平均体温为3 3 。 c ，代谢产热为5 8 1 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 i o 值的方法和粗 略计算公式，一3 d 0 9 ：i s 一亿j ，其中，h d 为通过织物的显热，t s 为反映表 面温度，t a 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 口1 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i m ，它的 定义式为 如= ( r o t e 晟e 材) f r c 宝r t 空) 其中，r c 材：热通过材料的阻力；凡材：蒸汽通过材料的阻力；胄c 穿：热 通过空气的阻力；m 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l 之间的数。l 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 第一章绪论 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。 二、理论研究 i 、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“1 把通过织物的热 量看作是稳态一维热传导，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，文献佴 盯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 研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“1 根据传热学原理中不同对流状态下的葛拉 晓夫准则( ，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。热环 第一章绪论 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、透过以及散湿三个连续的过程，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 的观点饽，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“”。 对于织物的透湿和敖湿，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“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g 起的自由空隙对织物湿传递的影响。文献“3 1 利用相对透湿率和透湿过程的状 态方程对织物透湿过程规律进行了研究。文献“”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：服装空 气层的温度随时间变化成对数下降，而微小气候层的相对湿度随时间变化成对 数上升。文献“在织物敖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。 三、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 第一章绪论 尔和波尔特“”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 “8 1 研制了测试织物的干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“们发表了试制的服用织物的微小气候层模拟装置。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 年东华 大学( 原中国纺织大学) 研制的织物传热透湿装置托：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。“以及织物液 相缓冲测试仪。”；西北纺织工学院研制的织物冷暖感仪n ，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“2 3 - 2 5 o 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 者对试验数据的处理，采用了模糊数学的分析方法：文献n 们运用了距离贴近 度理论：文献运用了灰色聚类分析理论；文献乜町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。 四、服装热湿舒适性机理模型研究 ( 一) 、热传递模型 第一章绪论 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、 放湿换热四大类。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。但其中通过服装空气层和服装 层的辐射、对流过程仍然需要进一步的分析和讨论。 1 、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 旺”博士提出了计算通过置于温 度、发射率分别为t 。，口，t ：，口：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 吸收率卢。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 。等于8 0t 。3 r fe 。 2 、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 n 们在题为“t r a n s f e ro f r 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、干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：被外热源辐照的服装系统由内衣、限制住的空气 层和外衣所组成。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 外层到达内衣处，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、内衣和 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罱关系可将 第一章绪论 人体分成4 个部分：有、无辐照的裸露部分和有、无辐照的着装部分。 从而服装到环境中的总干热流为： 磊= 打r 兀如一乃，+ h e ( t d o 一死， 这里：o 。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；h r ：服装与环境问的对流热交换系数；虎：服装与环境问辐射换热系数； t 肼服装表面温度；冬环境等效辐照温度。 ( 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。服装中的湿分由气态水和液态水两部分组成。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h ”圳。 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 es o r p t i o na n d t 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“岫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排出。 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排除率的比值为： r 击+ 去j r 去+ 去j 百艺+ 面茏j r 击+ 瓦i + 石i + 去， 其中：3 为运动前服装与人体皮肤间的湿阻；曲为运动后服装与人体皮肤 间的湿阻：a ，为运动前服装与外界环境问的湿阻；a s 为运动后服装与外界环境 第一章绪论 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 pg 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“”。法国的g b e r t o n 和d s i g l i m l 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 “”、织物滤布“”、织造土工布“”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 1 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服装空气层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。 h w = 1 0 7 5 ( r s t a ) ( a p ) d ( 圭p v l ) t k j s m 坛：0 5 8 。1 0 4 ( p s p a ) d k j s m r 第一章绪论 其中：版：通过织物的总热流量；肌：通过织物的总湿流量：爿尸：人体表 面积：吐服装空气层厚度：j d ：空气密度；雎空气运动速度。 2 、风泵效应模型 风泵效应“”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8 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层空气更新率r 的概念对微小气 候层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入的舒适调节作用。 主要方程有： h s ( t s 一目j + h c l ( t c l o o ) 1 d t = e c d o 8 = t i ：h o ( t ) d t h r s ( t s r c t o ) = h c l ( t c l o 一口j + h c 2 ( t c l o 一死j + h r l ( t c l o r r ) 其中：e ：微小气候层厚度；c ：空气比热；r ：空气更新率；口：空气层 温度：船：皮肤和服装空气层间对流换热系数：h “服装和服装空气层间对 流换热系数：h 讲服装和外环境间对流换热系数；h r s ：皮肤和服装问辐射换 热系数；见，：服装和外环境问辐射换热系数。 ( 四) 、心理学评价模型 丹麦的f a n g e r 教授对人体舒适性做过深人研究，并建立了一套舒适性方 程，其目的是统一舒适性的生理学基础。然后由环境指标用数学方程预测不同 活动时的舒适性，其方程是根据下列两种条件下的试验得出的：( 1 ) 身体处于 第一章绪论 温度平衡，只有体温调节的被动系统起作用时推导的热平衡方程( 所谓被动系 统指不必启动出汗来增加散热量等调节机能的体温调节系统】。( 2 ) 人体处于 舒适状态。f w e r 舒适方程如下： e m - o 3 1 ( 5 7 4 - 0 0 7 e m - p 1 ) - 0 4 2 ( e r a - 5 8 ) - 0 0 0 1 7 e n h ( 5 8 7 - p e ) - 0 0 0 1 4 ( 3 4 一t e ) = 3 9 x l o f e l t e i + 2 7 3 一( t r + 2 7 3 + f e l h c ( t c i - t e ) p m v 是一个评价热舒适性的指标，它表示对人体、服装和环境热感觉的预 测平均表决数。f a n g e r 教授从收集到的1 3 9 6 名美国和丹麦的受试者的表决票 中求得了p m v 。 p m v = 4 + ( o 3 0 3 e x p ( - 0 0 3 6 e m ) + o 0 2 7 5 ) 【6 7 5 + 0 4 6 e m + o 3 i p + o 0 0 1 7 p f 十0 0 0 1 4 e m t f 一4 1 3 1 r ( 1 十0 、o n t ) ( t c l t ) 一h c i c r “c r t ) ) 从式中可以求得不同活动水平、不同着装和不同气候条件下的p m v 值。然 后采用7 点标尺来评价热舒适程度。p m v 取值范围为一3 到+ 3 ，各点代表不同的 热舒适程度。 ( 五) 、服装热质传递综合模型 l 、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、 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： 第一章绪论 。掮兀一i 一孔+ i 乃一兀+ i u 2 百2 i 一页f 塑生：墨：! 二丝一生二竺：! d tr “or “ m i = m + m l i + m “ ( 2 ) ( 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 或透汽防水的聚酯针织物、羊毛针织物的热损失和中心温度，与实验结果进行 比较，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。 由于该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，或者芯吸水只占空气层一小部分的多层织物系统。( 2 ) 假设织物 中的水蒸气含量舰织物中吸收水量膨。液态水量版，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1 栅左右，故对每一层织物的温度湿度场均以统一的乃、肛表示， 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 “们的模型非常简单，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 第一章绪论 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 了相对单个圆柱体的第n 层服装的表面积系数f 。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： lq r e a l q r e a v 一- i - 一 l a + 1 0 如l 细+ i o 如c o y k lg l r e a r o p1 一a r e a m 一= ：0 - 一 d c f + d 口，务fc i d 一+ d a ，泰i c o vd o 力= 1 一a r e a c o v + g i r e g lc o v f d c o y 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 晦们借助他们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 ) ”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： 之等- ( h a 一卧i _ e x p ( k 蚺n 一嘲) 第一章绪论 1 9 9 6 年改为m 1 ： 鲁啪川枷驸删 其中： 础= 警； e 一。曲一1 a 2 = 一 出 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 的含湿量变化率通过实验得出了近似回归式，提高了以往模型的计算精度 1 回归式如下所示： 其中： 掣卅一p ) r i + p r 2 a ， r l ：! 旦o ( r d c ) ： ro ro r c 域x 。t ) = f h a ( x , t ) , t ( x 。t ) j r 2 ：s l 徽e x p ( s 2 l 胁一胁l ， p v l i。l 。 、fr 1 0 4 + 6 8 2 w c - 1 3 4 2 5 9 2 4 w ；) x l o 一 d ，2i i 6 1 6 4 0 5 1 - e x p f 1 8 1 6 3 2 3 i 唧一2 8 o x y o 1 0 - 1 4 厉：纤维内水分扩散系数；西：纤维直径；w c ：纤维回潮率、 从以上总结概括可以看出，服装热湿传递建模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 关系以便迸一步对服装热湿传递机理进行探讨虽然各模型着眼点和研究角度 第一章绪论 并不相同，但总的立足点是服装热质传递过程中的质量、能量、动量三大物理 量的守恒。 第三节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“服装空气层热湿传递机理研究”为课题，主要研究以下内 容： 1 、建立能够反映人体一服装之间的服装空气层热湿传递现象的较完善的 物理模型和数学模型。 2 、对所建的数学模型进行三维离散化处理，并利用计算机进行数值求解， 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、服装和环境间的热湿传递过程， 分析空气层厚度、服装结构、服装特性、外部环境等相关因素的影响规律。 第二章热湿传递机理模型 第二章热湿传递机理模型 第一节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调节的中间介质，即我们所穿的服 装。 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出去时，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 的活动状态直接相关。 一、物理模型 图2 1 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。本文着重于对通过空气夹层的热湿传递现象进行模拟研究， 将首先针对空气层内部的各种物理现象进行概括分析。 5 图2 1 第二章热湿传递机理模型 空气层内部的热量及湿份传递过程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，故可称为输运现象。输运现象实质上是发生着质量的 迁移与力的传递，即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，因而热量及湿份在空气层内部的传递必然伴随着能量输运现象。当 空气层与外界发生各种热质交换时，这种能量输运形式主要表现为热量传递，具体 传热方式如图2 - 2 所示。 服装空气层内部传热方式 导热( 固 辐射 对流 相变换热 气、液内部) ( 水的蒸发与凝结现象) 图2 - 2服装空气层内部传热方式 在服装多层结构中，服装的热湿特性可由热阻和湿阻来反映，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：服装外部环境的热湿传 递过程可按照传热传质理论中的对流边界条件来处理。然而，在空气夹层中由于存 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删，对此， 前人已有所研究，但由于前人对服装空气层的研究仅局限于微小气候层，且不考虑 微小气候层中的空气对流现象，有鉴于此，本文将以服装空气层( 包括微小气候层) 作为研究对象，重点研究空气夹层的热湿传递，建立其物理模型及数学模型，并借 助计算机用数值分析法模拟研究这一复杂的热湿传递过程。研究过程中把内衣层当 作一个热阻和湿阻来考虑，这样由于所考虑的空气夹层厚度一般大于6 m s ，故需对可 能发生在空气层中的对流和渗透现象加以考虑，从而使所建模型与实际工况更贴近。 二、基本假设条件 作者在模型推导过程中采用的基本假设条件有： l 、假定空气层区湿空气为各向同性的连续介质，各局部区域固、气、液三相处 于热力学平衡状态。 第二章热湿传递机理模型 2 、空气层区的湿空气满足理想气体状态方程。 3 、本文所指的空气层是包括微小气候层在内的服装空气层，在对整个空气层的 研究中，把内衣当作一个热阻和湿阻加以考虑。 4 、由于在不同的季节人们着装的情况不同，放为了简化起见，仅将人体着装假 定为穿着内衣和外衣两层服装的情况。 5 、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，作者把人体假定为圆柱体。 本文将依据上述假设条件，应用连续介质分析方法，进行模型的建立。首先根 据质量守恒、动量守恒、能量守恒基本定律，结合s t e f e n 质扩散理论，建立空气层 热湿传递的数学模型，并将讨论的初始条件和边界条件及有关工况的仿真分析。为了 更具体地阐明这一机理模型，本章还将对该模型中主要参数进行分析，并介绍本模 型的主要特征。 第二节数学模型的建立 一、水蒸汽、干空气二元扩散系质量守恒方程的建立 在流场中取一个微元控制体缸、缈、缸，依据质量守恒定律有( x 、y 、z 分 别指正交坐标系的三维) ： f 控制体内水蒸汽的1r 控制体内水蒸汽的1r 由控制体流入流出的、 i 质量积累率ji