通过非织造纤维材料辐射传热的分析(非织造外文翻译)

1、摘 要在这项研究中，表面对表面辐射模型的Fluent CFD代码是用来研究纤维材料辐射传热的反应。非稳态传热方程求解的温度和热流以及周围的纤维构成无纺布纤维材料。它表明，对于一个固定的纤维直径，织物拥有更高的固体体积分数（SVF），材料的平均温度上升越慢。我们的模拟结果也表明，对于一个固定的SVF，纤维直径有通过媒体上的非定常的热传递的影响可以忽略不计。在本文中特别感兴趣的是材料厚度的热量渗透的效果。结果表明，通过增加材料的厚度来定额SVF以及纤维直径，其瞬态热传导呈指数级下降。上述发现在我们的实验研究中得到了证实。简 介以纤维为媒介辐射传热一直是备受关注的领域，近年来由于其出色的保温特性，对

2、此类材料的应用出现侵袭性的增长。由不同的重量和结构纤维材料织造的非织造布，因为其制造过程中低成本高效益的原因，其产品得到广泛应用。实例的范围中廉价的纤维棉材料通常用作住宅建筑中的绝缘材料，更复杂和昂贵的用于航空航天复合材料。大多数纤维保温材料是通过降低和对流换热的传导，但由于其广泛的可用的表面积，其在抑制辐射热损失方面效果有限。辐射可以通过高孔隙度的纤维热复合物类似于一个大的传热模式，即使在温度高达几百开尔文的时候也会发生。早期的辐射研究是基于半经验方法对实验数据的曲线拟合,因此在分析不同成分1-14绝缘材料具有有限的适用性。当前研究的目的是检测一种不同的方法来研究在纤维媒体中的辐射传热。在这

3、种方法中，我们利用最近开发和实施的表面到表面的辐射模型建立了一个更易被理解纤维直径的作用，固体体积分数（SVF）以及抑制辐射传热导材料的厚度的Fluent CFD代码。这项工作的目的是提供有用的指导方针、产品的设计及开发。我们在下一节中概述了表面到表面的Fluent辐射模型，在第3节提出了我们的模拟域和边界条件，第4节介绍了我们的实验装置。仿真和实验结果列在第5，第6的结论。纤维介质内模拟辐射传热表面模型提出了一种获得在灰色的漫反射表面的一个外壳的辐射交换强度场方法。两个表面之间的能量交换，取决于它们的大小、间距和取向。这些参数是通过所谓的观点占因素。从另一个表面的表面后入射能量的量是表面对表

4、面的视图因子，既Fjk。视图因子,Fjk是分数的能量离开表面k的事件表面j。入射能量通量qin,k可以通过能量通量离开所有其他表面的方式来表达：Akqin,k （1）Ak表示k的表面积，Fjk表示k和j表面之间的视图因子（N是表面的数量）。表面模型主要假设的是表面辐射能量之间的交流不受介质作用分开它们。Fluent软件运用灰度扩散模型，假设如果一定量的辐射能量（E）的表面上入射，（E）的一小部分被反射，一小部分（E）被吸收，一小部分（E）被发送。此外Fluent软件还假定，传热面的热辐射是不透明的。因此，透射率对其的影响可以忽略不计。反射的能量通量是依赖于周围的入射能量通量，然后可以表示为离开

5、所有其他表面的能量通量的入射能量通量。其中可以使用下式表示k反射的能量：qout,k=kT4+kqin,k （2）qout,k表示离开表面的能量通量，k表示辐射率，是玻尔兹曼常数，qin,k表示从周围表面上入射的能量通量。在另一种形式中，所述式中，Fluent软件利用光能传递方程。一个表面k放出的总能量由下式给出： Jk=Ek+ （3）其中Ek代表面k的发射功率。为了减少计算的费用，时间和存储要求，当存在大量的辐射表面，Fluent会采用聚类技术（详细信息见Fluent的操作手册）。数值模拟非织造布垫是一种三维分层结构。这种结构是由大量的纤维随机分布在一个水平面上并依次在顶部沉积而建立的三维分

6、层几何结构。由于这项研究只侧重研究通过材料厚度的辐射传热,因此我们在二维几何结构中进行模拟以表示介质的横截面，以达到减少计算的CPU时间的目的。图1此项研究中考虑的是二维几何结构中纤维介质的例子。纤维和间隙空间分别被视为固体区域和流体区域。四面体的单元格及它们的分布示于放大图。在我们的模型中（见图1），纤维以圆圈排列的一定厚度的纤维垫的方式在内域建模。模拟的边界条件是：顶部和底部的边界被认为是恒定的温度的壁面。顶壁将作为热源（500K），而底壁的纤维作为散热片（300K）。顶壁温度是故意选择低于纤维（聚酯）的熔点（约533K）。所有的边界发射率设定为1。该介质被假定为拥有不可压缩的理想气体的密

7、度的填充空气。固相（纤维）被认为是密度为1540kg/m3的聚酯，2000j/kg-k和热传导率为0.25w/m-k热容量。一个非稳态模型已经采用了这项研究。Fluent代码实现的有限体积法被用来解决能量方程。注意，当辐射被认为是主要的传热机制时，能量方程是唯一可以解决问题的控制方程。图2在t=25、190和1190ms不同时期的温度轮廓,SVF=10%,纤维直径=20m，纤维导电率=0.25W/m-k。这项研究中使用的二维几何结构是要求纤维以交错的方式排列，取决于纤维的固相体积分数（SVF）和纤维直径而创建。显然，纤维直径较小时，更多的纤维将被创建在一个固定的SVF。Fluent代码预处理，

8、以优势的开局棋法在这项工作使用二维几何结构来啮合。纤维周边啮合使用特定的网格间隔和二维域四面体单元网格。根据纤维密度及纤维垫的SVF，不同的单元网格计数范围从50000到110000都被认为是范围内的模拟。例如在一个固定的系统中，更多的单元网格需要较小的纤维直径以确保计算的准确性。图1显示了在SVF为10%,纤维直径为20m的介质中的网格分配(见第5节的更多细节)。图2显示了一个在培养基中纤维直径为20m和SVF=10在不同时间所得到的等温线的例子。注意，温度上升的图层更接近热源的。实验装置实验装置的示意图如图3所示。不同的非织造布垫被暴露于辐射热源和温度剖面照片来自于材料的一面面对远离热源使

9、用的放射相机。由雷神公司开发的红外摄像机模型ExplorIR被配备了一个三角洲仪表，电子变焦提供了2倍和4倍放大效果。通过材料的热图像，相机可以记录沿任意线的温度，如图4所示，并计算平均温度。图3用于本次研究的实验装置(a)和热源(b)。光学显微镜和SEM图像被用来测量在材料测试时的纤维直径 (每30个读数为平均直径)，并依照ASTM D-5261标准测量了材料的克重(g/m2)，依照ASTMD-1777标准测量了垫厚度。表一列出了本次研究中的样品和它们的性能。图4由红外摄像机获得的一个示例的热图像。用于记录的最小剖面线以及最大和平均温度的示例图。表一，材料性能样品原料纤维直径（m）基本重量（

10、gsm）厚度（mm）比重（g/cc）SVF()R1聚酯20200.191.368R2聚酯20340.241.3610R3聚酯201020.421.3618T1聚丙烯40650.230931T2聚丙烯401190.360937T3聚丙烯402030.460949T4聚丙烯402710.530956结果&讨论在这项研究中,直径为20、25、30、35和40m的纤维和SVFs为5、10及15%均被考虑。研究中均对这些参数的单独影响进行了研究，同时保持了其他参数不变。此举保障了结果网格独立的重要性，并为此使得数值模拟获得的结果更加精确。因此，一个系统SVF=10%和直径为20m纤维的典型仿真领

11、域不同目数啮合，并网格密度对纤维的平均温度的影响被记录。Figure5a显示纤维之间的内部温度分布。纤维平均温度是由在域中的整个纤维的单元网格的平均温度算得。纤维周围的网格点数量增加到一个单位网格的网格数时的温度变化如图5b所示。需要注意的是，我们还增加了网格点的数量和控制单位网格的有着相同比例的模拟域的边缘。可以看出，显示基本所有独立网格划分的纤维的网格密度均大于18。此项研究模拟了域与不少于20多个网格点的各类纤维。图5图5显示了网格密度对纤维平均温度的影响， SVF=10%，t= 0.4s，纤维直径=20m。图6显示出三个不同的SVF，5、10、15时对平均直径的纤维的温度的影响。仿真结

12、果表明，纤维直径对其平均温度没有显着影响。图7显示出了我们的模拟结果，不同SVF的织物中纤维的平均温度与其时间的函数关系。其中纤维直径和其导电率分别为20m和10。由此可以看出，纤维的平均温度增加时织物的SVF减少。这是由于，低SVF的织物具有更少的质量，使它们的温度上升的更快。换句话说，热量通过低SVF的织物很容易，就像图8中不同SVF的织物表现得那样。图6所示为SVF为5、10、15的不同参数下织物纤维的平均温度。这里纤维导电率=0.25 w/m-k。图7 所示为SVF为5、10、15的不同参数及不同时间对比下织物纤维的平均温度。在这里纤维电导率= 0.25 w/m-k，纤维直径=25m。

13、厚度一直是保温材料属性相关联的一个重要参数。图9描述了纤维平均温度和垫厚度之间的关系。不同的样品厚度在SVF=5%，纤维直径=20m和导电率=0.25 w/m-k固定参数下可以看出，随着厚度的增加，织物的平均温度降低。温度值随着Tmax被归一化。继徐等人的工作 15 ，我们拟合指数函数来模拟数据来获得我们的归一化：T*=1.1e-0.25x* （4）T*是归一化的平均纤维温度，x*是归一化的厚度。为了验证上述厚度对其的影响，实验研究所用织物的SVF为8。使用这种面料研究厚度对其的影响，传热率在一个恒定的SVF范围内。在t= 3s时刻记录温度。 因此可以看出，在图10中，随着织物厚度的增加温度趋

14、于归一化下降。指数曲线拟合结果：T*=0.99e-0.47x* （5）对比式（4）和（5），可以观察到我们的模拟和实验数据之间的差别很微小。在上述相关性系数的细微差异中，最可能是由于具有稍大的SVF（即8）比那些被认为是在模拟（即5）的实验样品造成的。图8所示为PP和PET织物在稳态和瞬态状态下不同SVF时的平均温度。图9所示为归一化的平均纤维温度在不同的时刻与材料的归一化厚度的关系。这里SVF=5%,纤维直径=30m。图10所示为归一化的织物厚度与其面料平均温度的关系。 SVF=8，纤维直径为20m。要求在热源温度达到500K以后稳定维持t =3s后记录数据。结 论本工作考察了在纤维媒介中辐

15、射传热新方法的可行性。在这种方法中,最近开发出来的表面辐射模型被认为是研究纤维直径、固体体积分数(SVF)和材料厚度抑制辐射传热。在某种程度上，仿真结果与实验观察所得有着相当良好的啮合性。特别的是,它显示一个固定直径的纤维,增加其SVF,可以降低通过材料的瞬态传热率。我们的仿真结果也表明,对于一个固定SVF的织物,其纤维直径在通过媒介传递热量时有不稳定且微不足道的影响。模拟实验表明, 通过增加材料的厚度来确定其SVF和纤维直径，会使得其在通过媒介时的传热呈指数下降。参考文献1 Verschoor, J.D., Greebler, P., 1952. Heat transfer by gas c

16、onduction and radiation in fibrous insulation. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers 74 (6), 961-968. 2 Hager, N.E., Steere, R.C., 1967. Radiant heat transfer in fibrous thermal insulation. Journal of Applied Physics 38 (10), 4663-4668. 3 Bankvall, C.G., 1973. Heat transfer in

17、 fibrous materials. Journal of Testing and Evaluation 1 (3), 235-243. 4 Linford, R.M.F., Schmitt, R.J., Hughes, T.A., 1974. Radiative contribution to the thermal conductivity of fibrous insulations. Heat Transmission Measurements in Thermal Insulations, special publication 544, American Society for

18、Testing and Materials, Philadelphia, 68-84. 5 Pelanne, C.M., 1980. Heat flow principles in thermal insulations. Journal of Thermal Insulation 4 (1), 27-44. 6 Larkin, B.K., Churchill, S.W., 1959. Heat transfer by radiation through porous insulations. Journal of the American Institute of Chemical Engi

19、neers 5 (4), 467-474. 7 Hottel, H.C., Sarofim, A.F., 1967. Radiative Transfer, McGraw-Hill, NY,378-436. 8 Tong, T.W., Tien, C.L., 1980. Analytical models for thermal radiation in fibrous media. Journal of Thermal Insulation 4, 27-44. 9 Tong, T.W., Tien, C.L., 1983. Radiative heat transfer in fibrous

20、 insulations parts I: analytical study. Journal of Heat Transfer 105 (1), 70-75. 10 Tong, T.W., Yang, Q.S., 1983. Radiative transfer in fibrous insulations part 2: experimental study. Journal of Heat Transfer 105 (1), 76-81. 11 Tong, T.W., Swathi, P.S., Cunnington, G.R., 1989. Reduction of radiative heat transfer in thermal insulations by use of dielectric coated fibers. International Communications in Heat an