胡貝貝 李小輝

（東華大學，上海，200051）

火場環(huán)境中，為減少外界熱危害，消防人員需要穿著熱防護服，其熱防護性能的優(yōu)劣直接關系到作業(yè)人員的安危。為了科學合理地評價織物系統(tǒng)的熱防護性能，通常采用熱暴露試驗和數(shù)學建模兩種方法。前者真實、客觀，但同時具有破壞性，試驗成本較高，且受到環(huán)境及人為因素的影響較大；后者具有節(jié)約研究成本、速度較快等優(yōu)點，特別是隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬（計算機模擬）逐漸成為了熱防護織物熱防護性能研究的重要方法。但由于數(shù)學模型涉及的影響因素較多，數(shù)值模擬的精確度及其應用等方面還需完善。本文以熱防護織物系統(tǒng)為對象，通過對熱防護織物模型、傳熱傳質耦合因素以及數(shù)值模擬方法等方面進行剖析，旨在促進熱防護織物數(shù)值模擬的提高，同時還從熱防護織物微觀建模、耦合多因素及注重應用需求等方面指出熱防護織物仿真發(fā)展方向，為熱防護織物與服裝的性能及結構優(yōu)化，以及新材料的設計開發(fā)提供參考。

1 熱防護織物模型

織物模型作為傳熱分析的載體，其結構對熱防護織物傳熱傳質模擬具有重要意義。熱防護織物模型從簡單發(fā)展到復雜，從單層織物模型發(fā)展到多層，從多層發(fā)展到考慮織物層間空氣的織物及空氣層模型，以及到考慮織物組織結構的三維模型仿真，如圖1 所示。

圖1 熱防護織物模型的發(fā)展

早期研究中，TORVI 建立了熱暴露條件下單層熱防護織物的傳熱模型，假設織物為質地均勻的平板，研究熱暴露過程中沿織物厚度方向的溫 度 變 化［1-2］。朱 方 龍［3］、GHAZY［4］在 其 研 究 中同樣采用單層熱防護織物模型。隨后，朱方龍等將織物的平壁模型發(fā)展到考慮人體結構的圓柱模型，將人體軀干近似為圓柱體，建立了圓柱坐標系下單層織物的一維徑向傳熱模型［5］。接著，MELL 和LAWSON 將織物模型從單層拓展到多層，建立三層典型熱防護織物模型［6］，SU［7-9］、ONOFREI［10］、 CHITRPHIROMSRI［11］以 及SONG［12］等同樣采用多層熱防護織物模型以研究多層熱防護織物系統(tǒng)的傳熱傳質。之后GHAZY 等進一步對織物模型進行細化，考慮織物層間空氣，建立多層織物系統(tǒng)的織物及空氣層模型［13］。PUSZKARZ［14］和劉國熠［15］考慮到熱防護織物的微觀結構特征，構建與紗線屈曲形態(tài)、截面形狀及交織狀態(tài)擬合的三維織物模型，以真實地反應織物的結構狀態(tài)，進一步提高了織物傳熱分析的準確性。

2 傳熱傳質耦合因素

熱防護織物的傳熱傳質仿真需要綜合考慮材料熱屬性、熱源條件、傳熱方式、水分及傳熱過程等諸多因素，基于織物系統(tǒng)的熱濕傳遞機制，建立不同熱環(huán)境下的數(shù)學模型以反應織物的動態(tài)傳熱傳質過程。目前，熱防護織物傳熱傳質主要是從熱暴露階段瞬態(tài)傳熱、熱濕耦合傳遞以及熱暴露結束后的織物冷卻傳熱等方面展開研究。

2.1 瞬態(tài)熱暴露傳熱

2.1.1 傳熱方程

TORVI 建立了外層熱防護織物的一維傳熱模型以預測閃火條件下織物的熱響應，應用比爾定律來描述熱暴露過程中織物對輻射熱的吸收。該模型基于ASTM D 4108 臺式測試裝置，考慮了燃燒器、織物及環(huán)境之間的對流及輻射傳熱，織物內的傳導、輻射和熱化學反應，織物與傳感器間空氣層的輻射及傳導/對流耦合傳熱，傳感器的導熱。應用比爾定律的織物-空氣層-傳感器系統(tǒng)的模型如下。

式中：CA為顯示容，其值為比熱乘體積質量，這里包含了化學反應中產生的能量［J/（m3·K）］；k為導熱系數(shù)［W/（m·K）］；T為溫度（K）；t為時間（s）；qrad為織物表面的輻射熱通量（W/m2）；γ為消光系數(shù)。該模型中物性參數(shù)隨溫度變化，且包含了與熱化學反應有關的能量，得到了較為廣泛的應用。GHAZY 等對多層織物系統(tǒng)的各層織物、織物層間空氣層都做出了更加詳細的分析，分別建立相應的傳導輻射耦合熱傳遞微分方程。SU 進一步針對外層熱防護織物發(fā)射率高等特點對傳熱模型進行了改進，全面考慮多孔織物中輻射熱的吸收、透射、反射及自發(fā)射特性，基于輻射雙通量模型，探究了織物光學特性對熱防護性能的影響。GHAZY 和SU 傳熱模型的輻射熱部分均通過比爾消光定律得到，引入與TORVI 模型相似的熱源項來描述織物系統(tǒng)中的輻射傳熱。

MELL 和LAWSON 基于傳導輻射耦合基本方程，建立了輻射熱流下多層織物系統(tǒng)的一維傳熱模型，方程如下。

式中：ρ為體積質量（kg/m3）；Cp為織物的定壓比熱容［J/（kg·K）］；g為單位體積內發(fā)生化學反應產生的能量（W/m3）。模型考慮多層織物間的輻射反射，輻射傳熱部分通過輻射傳遞方程（RTE）積分得到，光譜強度的輻射熱傳遞方程如下。

式中：Iλ為輻射強度［W/（m2·sr）］；s為輻射光束路徑長度（m）；θ和φ為球坐標系中輻射束的極角 與 方 位 角；kλ為 空 氣 吸 收 系 數(shù)；Ib，λ為 黑 體 強 度［W/（m2·sr）］。該模型考慮短時間的輻射暴露，假定織物溫度未達到纖維熱降解溫度。此外，RTE 方 程 還 受 用 于GHAZY［16］模 型 中 空 氣 層 的輻射熱模型。

還有部分學者為考慮真實火場條件下織物的實際變化，對傳熱模型做出了相應改進。為考慮織物熱分解對傳熱產生的影響，ZHU 等［17］在TORVI 的傳熱模型基礎上納入了YANG［18］的熱解反應模型，模型預測結果與試驗結果比較，驗證了該模型的可靠性。GHAZY 建立了考慮織物收縮效應的織物、空氣、皮膚傳熱模型，織物受熱收縮將直接導致織物與皮膚之間的空氣層發(fā)生動態(tài)變化，進一步影響傳熱，空氣層間隙為動態(tài)氣隙模型。還有學者建立了含相變材料的多層熱防護織物系統(tǒng)傳熱模型，控制方程中均加入了相變潛熱項描述相變過程引起的熱量變化［19-20］。此外，人體運動引起的空氣層動態(tài)變化、熱暴露距離的變化［21］等情況逐漸被眾學者考慮。

2.1.2 邊界條件

傳熱模型的邊界條件根據(jù)外界不同的熱源種類有所差異。TORVI 建立的閃火條件下單層織物的一維傳熱模型，織物系統(tǒng)外邊界為純火焰對流條件，內邊界為織物與皮膚之間空氣層的輻射及傳導/對流耦合傳熱，靠近熱源的織物表面邊界條件如下。

式中：hfl為火焰對流換熱系數(shù)［W/（m2·K）］；Tg和Tf分別代表熱空氣的溫度和織物的外表面溫度（K）。還有部分學者認為燃燒器溫度過高，一部分熱量同樣通過輻射的方式傳遞［22］。

MELL、SU、ONOFREI 考慮低輻射條件，建立低輻射熱暴露下傳熱模型的邊界條件。UDAYRA 在其輻射熱模型中，邊界條件考慮受熱面對輻射熱的吸收，同時考慮織物表面對環(huán)境的輻射與對流散熱，邊界條件如下。

式中：εf為織物表面的發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/（m2·K4）；Tamb為環(huán)境溫度（K）；hamb為由織物表面自然對流損失引起的對流換熱系數(shù)［W/（m2·K）］。

2.2 熱濕耦合傳遞

實際消防作業(yè)環(huán)境中，由于外界消防用水及高溫高熱環(huán)境導致的人體蒸發(fā)散熱，水分的存在會較大程度地影響熱防護服的防護性能?？紤]到水分的存在對織物熱力學和輸運性質的影響，PRASAD 等建立了中低輻射熱流下的多層熱防護織物的瞬態(tài)熱量和質量傳遞控制方程，該模型考慮織物內部的分子擴散及水蒸氣流動引起的傳質，而不考慮織物表面的擴散及纖維的毛細作用，輻射傳熱模型采用的是MELL 輻射模型的拓展［23］。FU 等基于該模型進一步研究濕織物在含水量飽和情況下的傳熱傳質［24］。

CHITRPHIROMSRI 結 合GIBSON［25］的 單層多孔介質傳熱傳質模型以及TORVI 輻射滲透模型，建立織物-空氣層-皮膚熱濕傳遞模型的能量守恒方程。

SONG 等 人 采 用CHITRPHIROMSRI 的 模型就是否考慮織物與皮膚之間的空氣層進行了研究，研究結果表明空氣層的存在緩解了外界向皮膚的熱傳遞，同時也驗證了該模型能較好的預測織物中的溫度及濕度分布。黃冬梅同樣基于CHITRPHIROMSRI 的熱濕傳遞模型，進一步考慮多層織物層間的空氣層及層間的相互影響，系統(tǒng)內的液體運動只考慮毛細作用，而不考慮壓力驅使下的流動［26］。SU 等建立蒸汽壓力作用下織物的熱濕傳遞模型，模型考慮織物受到外界的碰撞射流、壓差引起的蒸汽流動、動態(tài)吸濕和相變，但忽略了纖維的吸濕膨脹以及液態(tài)水的轉移等［27］。

2.3 織物冷卻過程傳熱

消防作業(yè)中，大量的能量儲存在織物系統(tǒng)中，由于熱量的自然釋放或受到外界壓力被迫釋放，很有可能導致皮膚燒傷。TORVI 將單層織物的傳熱模型拓展到熱暴露結束后冷卻階段的傳熱模型，其認為織物在冷卻階段，織物內熱量傳遞只通過導熱、對流及輻射換熱發(fā)生在靠近熱源的織物表面，該簡化模型使得輻射傳熱部分易于處理，能較好的預測冷卻過程中單層織物的熱量分布［28］。

SU 和ONOFREI 建立了低輻射暴露熱暴露及冷卻階段的傳熱模型，SU 對三層典型熱防護織物系統(tǒng)各層分別建立相應的能量守恒關系式及其換熱邊界條件，冷卻階段的三層織物的傳熱方式均為導熱，不考慮織物層間空氣。隨后其又進一步考慮熱暴露結束后，高強度壓縮條件下織物的熱防護性能，織物厚度、織物中空氣含量及織物與皮膚間的空氣層均隨著壓力發(fā)生動態(tài)變化。GHAZY 等分別考慮織物熱收縮以及人體運動，建立了閃火熱暴露及冷卻過程中的傳熱模型，織物受熱后的收縮效應及運動擠壓對織物系統(tǒng)，特別是織物及人體皮膚之間的空氣層動態(tài)傳熱模型有直接影響，進一步影響熱傳遞。

3 數(shù)值模擬方法

熱防護織物傳熱仿真的控制方程及邊界條件數(shù)值求解，可根據(jù)離散方法的不同分為有限差分法、有限體積法以及有限元法。ZHU、SU、CHITRPHIROMSRI 等均采用有限差分的方法對控制方程進行數(shù)值求解，使用Crank-Nicholson格式對瞬態(tài)偏微分方程進行離散化，輻射非線性項采用高斯-塞德爾逐點迭代消除。MELL、PRASAD 和FU 利用有限體積法推導出控制方程的差分格式，認為有限體積法離散保證了局部能量或質量守恒，并且不需要高階倒數(shù)，采用Runge-Kutta 顯格式數(shù)值求解得到任意時刻的織物及空氣層的溫度或濕度分布，并由此推導出其他物理參數(shù)。TORVI 在其熱防護織物傳熱模型的求解方法中最初用到了有限元法，認為這個模型會和人體一樣包含不規(guī)則幾何形狀，使用伽遼金加權余量法構造有限元矩陣來求解微分方程。

前期的研究均通過不同的數(shù)值求解方法將傳熱傳質模型離散成不同的數(shù)值形式，通過計算機編寫程序得到其數(shù)值解。隨著計算機技術的發(fā)展，基于有限元或有限體積原理的各類計算機輔助工程（CAE）軟件層出不窮，已在機械、航空及土木等眾多領域得到了廣泛應用［29］。近年來較多學者將其應用在紡織服裝領域，數(shù)值模擬的速度及準確度均有了較大的提升。張慧［30］、鄭慧琴［31］應用ANSYS 有限元軟件分別建立含相變-氣凝膠材料及形狀記憶合金的多層熱防護織物系統(tǒng)的幾何模型，但在高溫環(huán)境下，織物內傳熱只考慮傳導或相變潛熱，忽略輻射熱的影響，與實際火場真實條件存在一定差異。JIANG 等建立服裝及皮膚的一維傳導輻射耦合傳熱模型，輻射傳熱部分采用有限體積法求解，同時結合計算流體動力學（CFD）FrontFlow/Red（FFR）程序進行燃燒流動及傳熱傳質的三維模擬［32］。TIAN利用ANSYS-FLUENT 軟件建立考慮人體形狀的三維有限體積模型，并進行燃燒室的火場仿真及瞬態(tài)傳熱模擬［33］。UDAYRA 同樣采用FLUENT 對織物及空氣層傳熱涉及到的連續(xù)、動量及能量方程進行求解，將純火焰或輻射兩種邊界條件作為用戶自定義函數(shù)應用于模型中。

4 數(shù)值模擬發(fā)展趨勢

近年來，熱防護織物模型從單層發(fā)展到多層，從多層發(fā)展到考慮織物三維交織結構的幾何模型。傳熱模型從單一的干態(tài)傳熱發(fā)展到考慮傳質的熱濕耦模型，及熱暴露結束后的冷卻模型。模型考慮因素越來越全面，數(shù)值模擬方法、速度及精度均有了較大的提升。但目前對于熱防護織物層的建模，其形態(tài)及條件都比較理想化，對于復雜多變的火場環(huán)境以及復雜的多孔介質傳熱傳質過程，熱防護織物的數(shù)值模擬仍有一定的發(fā)展空間。

（1）織物組織結構特征的微觀建模仿真。前期研究為使傳熱過程易于分析，多采用簡化模型，熱防護織物層的傳熱模型較多還是采用一維平壁傳熱。質均的平壁模型沒有考慮到織物的多相物質構成及其微觀組織結構，模擬結果與織物實際傳熱過程有一定差異。在今后的研究中可逐漸建立考慮織物交織結構特征、多維度的多孔介質傳熱模型。

（2）綜合考慮傳熱傳質多因素耦合。熱防護織物傳熱傳質數(shù)值模擬本身受到多因素、多水平的影響，應充分考慮實際條件優(yōu)化傳熱模型，提高數(shù)值模擬的準確性。建立相應的傳熱模型時，應充分考慮真實火場環(huán)境及實際織物狀態(tài)，盡可能地將對結果有較大影響的因素納入模型中，減少模型簡化對數(shù)值模擬結果造成的誤差。

（3）注重應用需求為目的。前期關于熱防護織物數(shù)值模擬研究，其目的主要是利用數(shù)值模擬結果得到織物、空氣層及皮膚的溫度分布，進行熱防護性能測評及皮膚燒傷預測，但不同模型假設下，甚至物性參數(shù)取值不同，熱防護織物傳熱傳質數(shù)值模擬結果都會有較大差別，限制了數(shù)值模擬在熱防護性能實際測評中的廣泛使用。對熱防護織物進行參數(shù)化分析，找到材料參數(shù)、結構參數(shù)等對熱防護性能影響的變化規(guī)律及敏感程度，同時結合商業(yè)化的CAE 軟件進行參數(shù)化建模及傳熱仿真模擬，實現(xiàn)設計、分析、優(yōu)化一體化，降低成本，縮短研發(fā)周期，為熱防護織物性能及結構優(yōu)化，以及新型熱防護紡織品材料的設計開發(fā)提供一個新的發(fā)展方向。

《棉紡織技術》針對“安全與防護用紡織品”專題征稿

紡織品分為服裝、家紡和產業(yè)用三大部分。我國產業(yè)用紡織品共分16 大類，安全與防護用紡織品是其中之一。安全與防護用紡織品作為產業(yè)用紡織品的重要內容，通常指在特定的環(huán)境下保護人員和動物免受物理、生物、化學和機械等因素傷害的紡織品，具有防割、防刺、防彈、防爆、防火、防塵、防生化、防輻射等功能，具體可分為個體防護裝備和防護服兩大類。當前安全與防護用紡織品已廣泛應用于石油、冶金、發(fā)電、水利、礦山、海運、消防、救生等領域。

現(xiàn)階段，我國安全與防護用紡織品產業(yè)已取得了長足的發(fā)展，且仍保持著世界領先的增長速度。安全與防護用紡織品已經越來越普遍地走入大眾視野，隨著許多新興產業(yè)的興起、人們健康和安全意識的加強、安全生產法規(guī)的健全，人們對安全與防護用紡織品的性能要求越來越高。安全與防護用紡織品涉及國家公共安全及應急處置產業(yè)，是“軍民融合”戰(zhàn)略下新興產業(yè)與民生產業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)，其研發(fā)力度越來越大，市場發(fā)展前景越來越廣闊。

作為紡織工程技術人員的良師益友，《棉紡織技術》為更好地適應當前行業(yè)發(fā)展的新需求，順應以技術創(chuàng)新提升企業(yè)核心競爭力的發(fā)展理念，應廣大讀者要求，近期面向全國的高校、科研院所及紡織企業(yè)的科技人員進行“安全與防護用紡織品”專題征稿。探究安全與防護用紡織品領域的技術發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，為我國相關產業(yè)的發(fā)展提供借鑒和參考。

此次專題征稿要求主題鮮明，內容詳實，邏輯嚴謹，文字精煉，字數(shù)以6 000 字左右為宜。本刊僅接收網(wǎng)上在線采編系統(tǒng)投稿（投稿網(wǎng)址http:∥gaojian.ctsti.cn），作者可以通過登錄網(wǎng)站進行注冊、投稿、查詢稿件處理進程等。

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