熊巧玲，董奕辰，劉 貴，杜趙群，林 旭

(1.東華大學 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海 201620；2.福建省紡織產(chǎn)品檢測技術(shù)重點實驗室(福建省纖維檢驗中心)，福州 350026)

隨著社會的日益發(fā)展和進步，人們對生活品質(zhì)的要求越來越高。 而對于傳統(tǒng)紡織服裝行業(yè)，服裝穿著的舒適性能在消費者心中是排在首位的。 根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，81%的紡織服裝行業(yè)消費者認為紡織品的舒適性比服裝的款式設(shè)計重要[1]。 而在我國服裝舒適性已成為影響消費者購買服裝的三大因素之一。 服裝舒適性包括了熱濕舒適性、接觸舒適性以及視覺舒適性[2－4]。 熱濕舒適性是指皮膚、織物以及空氣之間通過織物的熱濕傳遞作用，使人體在外界環(huán)境不斷的變化下依然可以獲得舒適滿意的感覺，即達到人體體感平衡的一種狀態(tài)。 在這種狀態(tài)下既不感覺到寒冷、燥熱、又不感覺悶濕，人體的各個器官和各項機能處于正常的狀態(tài)[5]，這就是人體—服裝—環(huán)境系統(tǒng)的中和狀態(tài)。

在研究織物及服裝的熱濕傳遞性能時，研究者大多在人體—服裝(織物)—環(huán)境系統(tǒng)的基礎(chǔ)上來探討熱量傳遞和水分傳遞的過程。 其研究內(nèi)容主要可以概括為兩類:一是熱濕傳遞機理、影響熱濕傳遞的因素、表征熱濕性能指標等；二是熱濕傳遞性能的測試方法及儀器[6]。 測試儀器的研究對于評價服裝及織物的熱濕傳遞性能有著至關(guān)重要的影響。 隨著當今計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各個研究領(lǐng)域，其中計算機仿真模擬技術(shù)通過其大量復(fù)雜的計算，解決了原先無法完成的諸多事情。 仿真模擬通過構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學與物理模型，在賦予參數(shù)的條件下進行計算，具有快速、環(huán)保、成本低的優(yōu)勢。 可以利用其輔助測試儀器的研發(fā)以及對熱濕傳遞過程進行預(yù)測。

織物及服裝的熱濕舒適客觀評價法對其使用的測試儀器有極高的依賴性。 例如出汗熱板裝置雖然體積小，測試方便，但是其測試狀態(tài)與人體著裝時織物的狀態(tài)的差異是最大的。 出汗暖體假人其測試系統(tǒng)復(fù)雜，價格昂貴，對于更多情況的模擬也較難實現(xiàn)。 因此可以綜合兩種儀器優(yōu)點的出汗圓筒式測試儀器正在成為研究的重點，利用仿真技術(shù)對出汗圓筒進行設(shè)計優(yōu)化可以為儀器的研制提供參考和指導(dǎo)。

1 出汗圓筒的仿真模擬

在圓筒式織物熱濕阻儀中，實際是將人體各部分近似簡化為圓柱狀，同樣的在數(shù)值模型值仍然采用這種方式。 與真實儀器不同的是，利用數(shù)值模型仿真可以避免大量重復(fù)的實驗，并且可以使模型參數(shù)更接近人體。 人體的生物組織無法被一般的工程材料所代替，但是在數(shù)值模型中，能夠隨意設(shè)定其材料參數(shù)，使其性質(zhì)與人體更加接近。 另外通過更改數(shù)值模型的參數(shù)或結(jié)構(gòu)還可以比較圓筒式儀器的溫濕度場。

圖1 出汗圓筒幾何模型

要建立出汗圓筒的數(shù)值模型，需要對其進行以下假設(shè):

(1)織物看作是均質(zhì)的平板，整體具有相同的特性，且其熱力學參數(shù)不隨溫度改變；

(2)導(dǎo)熱主要在垂直表面的方向進行，不考慮層間的接觸熱阻；

(3)將各區(qū)域都視為各項同性的連續(xù)介質(zhì)，空氣與織物中固、液、氣三相處于熱力平衡狀態(tài)，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

(4)只研究系統(tǒng)內(nèi)的熱濕傳遞過程，系統(tǒng)外的熱濕傳遞過程按照傳熱傳質(zhì)理論中的對流邊界來處理。

根據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒，可以得到以下的熱傳遞和濕傳遞的控制方程:

如果只考慮在圓筒內(nèi)部的水浴溫度達到設(shè)定的溫度T0后的熱濕傳遞過程，那么可以將圓筒內(nèi)看作是等溫域，初始值為T0，而微氣候區(qū)熱濕傳遞的初始值分布是環(huán)境的溫度Ta和相對濕度RHa。

要對這個模型的熱傳遞控制方程進行求解，只需要設(shè)置三個邊界條件。 一個是織物與外界環(huán)境接觸的邊界，考慮外部自然對流的影響以及環(huán)境的輻射。 所以在邊界條件類型中選擇熱通量邊界，一個是隔熱材料的邊界，可以設(shè)置其熱通量為0。 還有一個是圓筒儀的外筒壁，可以將其溫度設(shè)置為固定值即筒內(nèi)水浴溫度。

mrsw是模擬皮膚的水汽蒸發(fā)速率，用防水透濕織物的透濕率來表示，通過實驗測得，Rw是外層測試織物的濕阻，同樣需要通過實驗測得。 在進行數(shù)值模擬時這些參數(shù)都是已知的。

利用(3)～(7)的控制方程和邊界條件公式，以及在模型中設(shè)置的初始值，就可以對模型的溫度場和濕度場進行求解。 在求解時可以根據(jù)需要選用瞬態(tài)求解器或穩(wěn)態(tài)求解器。

如果不將圓筒壁與模擬皮膚看成薄層結(jié)構(gòu)，而是將其設(shè)置成具有一定厚度的域，并將該域內(nèi)的參數(shù)設(shè)置為人體皮膚參數(shù)[7]，見表1。

表1 皮膚組織的熱物理參數(shù)

并將皮膚邊界的邊界條件即公式(6)中的mrsw采用Gagge 的出汗調(diào)節(jié)方程[8]代替。 其計算公式見(9)，式中Tb為筒內(nèi)水浴溫度，T 則為新設(shè)置的皮膚域的溫度。

1.1 出汗圓筒加熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在考慮對圓筒儀內(nèi)部的水進行加熱時，主要考慮了兩種方案。 第一種是將加熱絲纏繞在內(nèi)筒上進行加熱，另外一種是將加熱絲盤旋固定在圓筒的底部和頂部進行加熱。 為了了解那種方式更夠更加均勻且快速地對圓筒儀內(nèi)部的水進行加熱，使水溫能夠達到PID 設(shè)定值。 將對兩種方案進行仿真。

如圖2 和圖3 所示，當考慮將加熱絲纏繞在內(nèi)筒壁上進行加熱時，圓筒儀內(nèi)部水溫在豎直方向上表現(xiàn)出良好的均勻性。 在圓筒附近的溫度較高，圓筒中心和圓筒外側(cè)的溫度較低。 當加熱絲附近溫度為100℃時，外筒溫度約為40℃。 而在考慮將加熱絲盤旋固定在底部和頂部時，圓筒儀則是在水平方向上均勻性較好，而在豎直方向上的溫差分布非常大。 當頂部的溫度已經(jīng)達到300℃時，圓筒中間的水位只有50℃左右。 雖然頂部和底座是絕熱材料，但是仍然會產(chǎn)生較多的熱量損耗，使加熱時間延長。 圓筒式熱濕阻儀要求外圓筒壁的溫度能夠均勻一致，所以從上面兩張圖的分析來看，采用加熱絲纏繞在內(nèi)筒的加熱方式更好。

圖2 內(nèi)筒加熱

圖3 頂部和底部加熱

1.2 出汗圓筒外筒材料優(yōu)化

在選擇圓筒的材料時，內(nèi)筒的材料對于測試過程的影響很小，所以使用耐用性好的金屬材料即可。 而金屬外筒與外界空氣或者織物的距離很近，采用不同的材料有可能會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。 金屬外筒同樣需要考慮其耐用性，銅和不銹鋼在大氣、淡水中都有良好的耐腐蝕性且強度高。所以初步確定采用銅(導(dǎo)熱系數(shù)400W/m·K)和不銹鋼材料(導(dǎo)熱系數(shù)17W/m·K)作為金屬外筒材料。

圖4 織物內(nèi)邊界溫度上升圖

觀察織物內(nèi)邊界的溫度隨時間的變化曲線，可以看到，使用銅作為外壁時，織物內(nèi)邊界的溫度變化比使用不銹鋼時溫度的變化快。 在初始時刻織物與空氣域的初始值都是20℃，使用銅作為外壁材料，在前2min 內(nèi)織物處的溫度就迅速增加到27.8℃。 而在使用不銹鋼作為外壁材料時，在前1min 的溫度升高比較快，隨后升高速率逐漸降低。使用不銹鋼材料，在熱濕傳遞測試過程中，其熱傳遞的狀態(tài)更接近人體皮膚熱傳遞狀態(tài)，因此選用不銹鋼材料更有利于在實驗中觀察溫濕度的變化情況。

1.3 出汗圓筒外筒孔徑優(yōu)化

為了研究外圓筒壁孔徑對于測試面溫度分布的影響，將其轉(zhuǎn)化為平板模型，在COMSOL 中進行建模分析。 如下頁圖5 中所示，建立了圓筒壁與防水透濕織物的雙層平板模型，圓筒壁上有圓孔均勻分布，由于圓筒內(nèi)部是水，所以圓孔內(nèi)也是充滿水的。 設(shè)置有孔邊界面的溫度為37℃恒溫，織物外邊界面為20℃的外部自然對流。 為在此分布用了2mm 和4mm 的孔徑大小進行計算分析，其結(jié)果見圖6。

圖5 外圓筒壁及防水透濕織物平板模型

圖6 表面溫度分布

從圖6 中可以看到，在模型的表面，溫度是由圓孔中心向外遞增的。 雖然采用2mm 的孔徑與采用4mm 的孔徑其最低溫度與最高溫度之間的差異并不大，但是仍然可以看出，孔徑越大在達到穩(wěn)態(tài)時織物表面的最低溫度與最高溫度之間的差越大。 由此可見，小孔徑更利于使測試面溫度的均勻分布，在加工時將采用可加工出的最小孔徑來進行加工。

2 基于數(shù)值圓筒模型的預(yù)測分析

2.1 不同空氣層厚度熱濕傳遞預(yù)測及分析

若利用出汗圓筒式儀器進行測試，想要模擬人體穿著服裝的狀態(tài)，模擬皮膚與被測織物間應(yīng)該留有一定厚度的空氣層，形成微氣候區(qū)。 但是其厚度一般較小，不便于在其間放置溫濕度傳感器。 無法觀察在空氣層中溫度與濕度的變化情況。 一般微氣候區(qū)的厚度小于12.7mm 時可以不考慮其內(nèi)部自然對流的影響[9]。

仿真的環(huán)境工況條件為:溫度為20℃，相對濕度65%，風速為<0.1m/s。 仿真對象棉織物參數(shù)為

熱阻:0.0479W/(m·K)

濕阻:39.59m2·Pa/W

圖7(a)是在空氣層厚度分別為2mm、4mm、6mm 的參數(shù)條件下，同一節(jié)點處溫度隨時間的變化曲線。 從上圖可以看出，隨著空氣層厚度的增加，達到平衡的時間越長，空氣層內(nèi)的溫度也越高。圖7(b)是在達到平衡后的空氣層內(nèi)溫度分布，穩(wěn)定后空氣層內(nèi)的溫度接近線性分布，從左邊界到右邊界呈現(xiàn)下降趨勢。 左邊界的溫度分別為35.5℃、35.8℃、36℃，說明在一定范圍內(nèi)增加空氣層厚度可以提高保暖性。

圖7 不同空氣層厚度下溫濕度變化及分布

圖7(c)表示的是衣下空氣層厚度分別為2mm、4mm、6mm 時空氣層內(nèi)同一節(jié)點處相對濕度隨時間的變化規(guī)律。 從圖中可以看出在前2s 相對濕度迅速下降，之后下降速度變緩，并逐漸趨于平衡。 這是由于模擬皮膚在裸露狀態(tài)下，附近水蒸氣分壓與環(huán)境中的水蒸氣分壓相平衡，而在加上織物與空氣層后，空氣層內(nèi)的溫度迅速升高，且從模擬皮膚邊界到織物內(nèi)邊界呈逐漸下降趨勢。 溫度的升高會導(dǎo)致水蒸氣分壓增大，從而使相對濕度降低。 隨著空氣層厚度的增加，相對濕度達到平衡的時間越長，同一位置相對濕度越小。 從圖7(d)平衡后空氣層內(nèi)相對濕度的分布可以看出，空氣層中相對濕度從模型模擬皮膚邊界到織物內(nèi)表面邊界是接近現(xiàn)線分布的，距離模擬皮膚越近，相對濕度越低，這也說明了在未出汗的情況下，穿著該織物制成的服裝能夠很好地保持皮膚干爽的感覺。

2.2 不同空氣層厚度熱濕傳遞預(yù)測及分析

一般情況下利用儀器進行測試時，較難把控環(huán)境的溫度，必須要有非常專業(yè)的人工氣候室才能實現(xiàn)在不同環(huán)境下的測試。 但是在實際情況中外界環(huán)境對于人體的穿著時的熱濕舒適度也有很大的影響，要想描述一塊織物的熱濕舒適性，就要結(jié)合其實際環(huán)境。 例如對于一塊熱阻大的織物，如果是在較冷的環(huán)境中，我們會評價其熱舒適性好。 但是在熱環(huán)境中由于人體更需要一種涼爽的感覺，那么此時的熱舒適性顯然是不好的。 在本小節(jié)中將討論在無風狀態(tài)下溫度和相對濕度對于空氣層內(nèi)熱濕傳遞的影響。 仍以棉織物為例，衣下空氣層的厚度設(shè)置為6mm，環(huán)境風速V<0.1m/s。

首先討論在同樣的相對濕度下，不同溫度條件下空氣層內(nèi)同一節(jié)點的溫度、以及相對濕度的變化規(guī)律。 環(huán)境條件分別設(shè)置為以下參數(shù):

(1)環(huán)境溫度T＝10℃；環(huán)境濕度RH＝60%

(2)環(huán)境溫度T＝20℃；環(huán)境濕度RH＝60%

(3)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝60%

圖8(a)是在相同濕度不同溫度環(huán)境下同一織物和空氣層的仿真結(jié)果。 在時間為0s 時空氣層內(nèi)左節(jié)點的初始值接近環(huán)境溫度。 在不同的環(huán)境溫度下，加上織物和空氣層來模擬穿衣后，同一節(jié)點溫度變化的趨勢是一致的，都是先迅速升高后趨于平衡，但是可以看到隨著環(huán)境溫度的升高，開始時的溫度曲線梯度越大，空氣層內(nèi)節(jié)點的溫度升高越快。 當環(huán)境溫度為30℃時，空氣層中所選節(jié)點處的溫度約2s 就達到平衡了，而當環(huán)境溫度為10℃時，則需要大約12s。 圖8(b)是達到平衡狀態(tài)后空氣層內(nèi)的溫度分布，在達到平衡狀態(tài)后，模擬皮膚邊界到織物內(nèi)表面區(qū)間內(nèi)的溫度呈線性分布，環(huán)境溫度越高斜率越小。 但是模擬皮膚表面的溫度相差不大。 這也從側(cè)面證實了織物及空氣層的熱調(diào)節(jié)功能。

圖8 不同環(huán)境溫度下空氣層內(nèi)溫濕度變化及分布

圖8(c)表示的是不同環(huán)境溫度下空氣層同一節(jié)點處的相對濕度隨時間的變化趨勢，可以看出，在不同的環(huán)境溫度下，相對濕度的變化趨勢大致相同，初始值都是環(huán)境相對濕度。 剛開始，由于熱源的加熱作用，溫度的迅速升高，導(dǎo)致水蒸氣分壓迅速增大，相對濕度迅速下降。 而隨著空氣層內(nèi)溫度的升高，相對濕度的下降趨勢也變緩。 圖8(d)是達到平衡后空氣層內(nèi)相對濕度的分布，總體來看，相對濕度依舊是從左邊界到右邊界呈現(xiàn)遞增的，但是環(huán)境溫度越高，左邊界與右邊界相對濕度差異約小，且環(huán)境溫度越高達到平衡后的相對濕度越高。

討論完環(huán)境溫度對于模擬結(jié)果的影響后，接著討論在相同環(huán)境溫度，不同相對濕度條件下空氣層內(nèi)同一節(jié)點的溫度及相對濕度的變化規(guī)律。 環(huán)境條件分別設(shè)置為以下參數(shù):

(1)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝20%

(2)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝60%

(3)環(huán)境溫度T＝30℃；環(huán)境濕度RH＝90%

從圖9(a)可以看出，當環(huán)境溫度為30℃時，不同的環(huán)境濕度條件下空氣層內(nèi)同一節(jié)點的溫度隨時間的變化曲線基本重合，在達到穩(wěn)態(tài)后空氣層內(nèi)的溫度分布也一致。 因此環(huán)境相對濕度對于空氣層內(nèi)的溫度變化基本沒有影響。 從圖9(b)空氣層內(nèi)相對濕度隨時間的變化中，可以看出隨著環(huán)境相對濕度的增加，空氣層內(nèi)相對濕度的變化趨勢雖然一致，但是環(huán)境相對濕度約高，空氣層內(nèi)相對濕度達到平衡的時間越長，且與初始時刻的差異越大。同時，在達到平衡后，空氣層的相對濕度分布也存在明顯差異，環(huán)境相對濕度越大，空氣層內(nèi)相對濕度也越大，空氣層左邊界到右邊界的分布梯度越大。

圖9 不同環(huán)境相對濕度下空氣層內(nèi)溫濕度變化

3 結(jié)論

利用仿真的方式對出汗圓筒內(nèi)部加熱方式以及外筒材質(zhì)、孔徑進行分析，用于出汗圓筒式儀器的優(yōu)化。 內(nèi)部的加熱方式考慮內(nèi)筒加熱及筒底部加熱，分析發(fā)現(xiàn)將加熱絲纏繞在內(nèi)筒上的加熱方式能夠更快達到設(shè)定溫度，并且測試面的溫度分布也會更加均勻。 外筒的材質(zhì)考慮不銹鋼和筒兩種材料，分析發(fā)現(xiàn)使用兩種材料的穩(wěn)態(tài)圓筒溫度分布差異不大。 但是使用銅作為外筒材質(zhì)時，微氣候區(qū)域溫度升高較快，不利于對溫度的監(jiān)測，所以最終選擇不銹鋼作為外筒材料。 在分析外圓筒壁孔徑對于測試面的影響時，測試面表面圓孔處的溫度沿圓孔中心向外遞減，所以選擇更小的孔徑有利于測試面溫度的均勻分布。

在完成出汗圓筒的仿真設(shè)計后，利用構(gòu)建的數(shù)值圓筒模型，對其在不同空氣層厚度下以及不同環(huán)境工況下空氣層內(nèi)的熱濕傳遞做了分析與預(yù)測。結(jié)果表明隨著空氣層厚度的增大，在數(shù)值模型的模擬皮膚邊界的溫度會越高，相對濕度會越低。 而在不同的環(huán)境溫度下，隨著環(huán)境溫度的增加，模擬皮膚邊界處的溫度和相對濕度越大，空氣層內(nèi)溫度和相對濕度分布梯度越小。 在不同的環(huán)境相對濕度下，環(huán)境相對濕度的增大，對于空氣層內(nèi)的溫度變化影響很小，但是空氣層內(nèi)相對濕度的平衡時間延長，模擬皮膚邊界的相對濕度增大，整個空氣層相對濕度分布梯度也增大。