張翕

（鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院，河南 鄭州 451191）

0 引言

防風(fēng)和抗風(fēng)服裝廣泛應(yīng)用于防寒服裝、軍事化學(xué)和生物防護(hù)等方面。完全防風(fēng)的服裝能夠在寒冷的環(huán)境下防止冷空氣滲透造成的熱量損失，但當(dāng)使用者由于身體活動(dòng)并產(chǎn)生大量熱汗時(shí)，服裝的舒適性就大為降低，類似的情況也會(huì)出現(xiàn)在防護(hù)服裝中，因此通過織物層通風(fēng)可以減輕熱應(yīng)力，提高服裝穿著者的舒適性，同時(shí)也能延長磨損時(shí)間。服裝設(shè)計(jì)工具可以同時(shí)評(píng)估透風(fēng)性、熱傳遞、水分輸送和有毒物質(zhì)滲透等因素，有助于開發(fā)新的服裝系統(tǒng)，在防護(hù)和舒適之間取得良好的平衡。

通過改變靜電纖維膜在紡織基底上的沉積[1]，可以控制衣物層的防風(fēng)性能和氣溶膠過濾性能。由于納米纖維層能夠控制幾個(gè)數(shù)量級(jí)的氣流阻力而不影響其他衣物特性，所以我們對(duì)服裝設(shè)計(jì)中選擇使用這些材料所帶來的后果具有濃厚的興趣。靜電紡絲制備的聚氨酯彈性體膜現(xiàn)被用于商業(yè)用途——外衣面料中，如美國Malden Mills公司所推出的“PolartecNeoshell”紡織品材料，是迄今為止戶外市場上最受歡迎的抓絨產(chǎn)品。它能夠“調(diào)節(jié)”衣物的氣流但并不嚴(yán)重影響衣物的其他性能，如服裝的隔熱性或水汽擴(kuò)散（透氣性）。這些材料可用于整件衣物，如夾克衫或褲子，也可與可滲透的“透氣孔”結(jié)合應(yīng)用，增加衣物上某些透氣性更強(qiáng)部分的通風(fēng)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

織物氣流阻力、衣服透氣孔和由于外部風(fēng)力或身體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的氣流等因素是相互作用的，同時(shí)這些因素之間也是不斷的權(quán)衡和折中的，因此在這里我們主要使用IP SPM工具來評(píng)估改變衣物層的氣流阻力來驗(yàn)證可滲透透氣孔部分的總隔熱性能的相對(duì)重要性[2-3]。

Creare公司的個(gè)人防護(hù)系統(tǒng)性能模型（IP SPM）建立在先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)之上，該防護(hù)服設(shè)計(jì)工具為防護(hù)服系統(tǒng)的迭代修改和評(píng)估提供了基于物理學(xué)的計(jì)算框架但是軟件本身被有意地簡化，以允許非專業(yè)用戶修改服裝設(shè)計(jì)并評(píng)估各種服裝舒適性、防護(hù)性方面的結(jié)果，例如合身性、縫合、界面、材料屬性和分層。IP SPM模型將身著衣物的人體視為織物覆蓋的圓柱體的集合，盡管圖形用戶界面將衣物層繪制到一個(gè)解剖學(xué)上更正確的人體IP SPM模擬計(jì)算模型圖，包括更詳細(xì)的人體和服裝結(jié)構(gòu)的相關(guān)因素是可能的[4-6]，事實(shí)上它們是被用作IP SPM軟件的指南，能夠滿足非專業(yè)用戶的需要。

2 結(jié)果與討論

2.1 IP SPM預(yù)測(cè)與暖體假人測(cè)量的比較

配置Creare的IP SPM模擬暖體假人，這是服裝舒適性研究中的重要工具。圖1展示了IP SPM暖體假人總傳熱系數(shù)與從人體[7]和暖體假人得出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式的基線比較結(jié)果以及加熱圓柱體的計(jì)算和分析結(jié)果。

圖1 IP SPM暖體假人總傳熱系數(shù)的風(fēng)速函數(shù)

IP SPM預(yù)測(cè)可以與實(shí)驗(yàn)假人結(jié)果進(jìn)行比較。IP SPM模型需要輸入衣物的耐熱性、防水汽擴(kuò)散和氣流阻力、貼合性（織物和體表之間的空間）、縫合的緊密度以及織物在身體不同部位的覆蓋程度。從圖3我們很容易看出在IP SPM模型中包含輻射熱傳遞時(shí)，低風(fēng)速下裸體假人模型值的預(yù)測(cè)不足；當(dāng)從計(jì)算中除去（hrad為4.5 m2·℃/W）時(shí)，IP SPM結(jié)果與圖1所示對(duì)流換熱計(jì)算結(jié)果非常吻合[8]。

圖2顯示了IP SPM對(duì)暖體假人實(shí)驗(yàn)結(jié)果在赤身（裸露）條件下和身著三套不同服裝條件下，三套服裝整體性能排比與IP SPM預(yù)測(cè)結(jié)果完全一致，無論是整體隔熱性（如圖3所示）還是防水汽擴(kuò)散（未展示）。這就表明在確切的實(shí)驗(yàn)配置不知道或未定義的情況下，IP SPM仍然可使用標(biāo)準(zhǔn)配置值（如衣服貼合性）來確定相關(guān)服裝的隔熱性能排名。

圖2 裸體假人和三套服裝隔熱性的比較

圖3 橫流條件下織物覆蓋的圓柱體在不同風(fēng)速下的總隔熱性

2.2 氣流阻力對(duì)服裝系統(tǒng)隔熱性的影響

IP SPM有意簡化服裝/身體模型為織物覆蓋圓柱體的集合，對(duì)實(shí)用性設(shè)計(jì)工具來說，忠實(shí)地再現(xiàn)身體幾何、織物褶皺、懸垂性和合身的各個(gè)細(xì)節(jié)，可以迅速做出這樣的計(jì)算工具.IP SPM允許執(zhí)行非常相似的計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)更逼真的服裝和身體幾何。IP SPM被設(shè)置為模擬一套只能改變氣流阻力單一性能的防風(fēng)衣（夾克和褲子）。氣流阻力在高風(fēng)速下變得更為重要，一旦織物變得“防風(fēng)”，空氣阻力的進(jìn)一步增加就不會(huì)顯著影響熱傳遞[9]。

2.3 透氣孔對(duì)隔熱性能和防水汽性能的影響

使用IP SPM檢驗(yàn)可透氣織物透氣孔與化學(xué)防護(hù)服結(jié)合的效果。這種防護(hù)服主要由固體聚合物膜組成，但為了舒適性，允許一些水汽通過。預(yù)計(jì)這種完全基于化學(xué)膜的套裝本身沒有足夠的通風(fēng)，而必須與某種通風(fēng)策略結(jié)合。解決方案是將由更透氣的織物組成的單獨(dú)的通氣面板并入由膜組成的套裝。

圖4顯示了該模擬的基本IP SPM設(shè)置。大型透氣織物透氣孔被并入防護(hù)服，并且透氣孔織物的低氣流阻力系統(tǒng)地發(fā)生變化。西裝還加入了空氣和水蒸氣都不能滲透入內(nèi)的防護(hù)頭套、面罩、靴子和手套。為方便比較，使用聚合物薄膜層的西裝無通風(fēng)孔設(shè)計(jì)和其他兩個(gè)案例——標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)防護(hù)制服織物制成的西裝和標(biāo)準(zhǔn)制服織物制成的西裝，實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了模型。附加案例裸體假人模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也建立了模型，為每種服裝系統(tǒng)減少的人體熱量和蒸發(fā)轉(zhuǎn)移提供參考。

圖4 個(gè)人防護(hù)系統(tǒng)性能模型（IP SPM）對(duì)織物層可變氣流阻力的預(yù)測(cè)

3 結(jié)論

在所有建模的套裝中，無透氣孔的聚合物薄膜層壓套裝的防水汽性能最好。隨著透氣織物透氣性的增加，聚合物薄膜層壓套裝逐漸變得更好，從而簡化的服裝設(shè)計(jì)工具將大大增強(qiáng)我們反復(fù)更改服裝設(shè)計(jì)的款式特點(diǎn)特點(diǎn)和檢驗(yàn)服裝舒適性、防護(hù)性能力提供依據(jù)。暖體假人實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果尚需在各種服裝系列中得到進(jìn)一步驗(yàn)證和確認(rèn)，從而使用該模型得出的預(yù)測(cè)結(jié)果可在將來用作可靠的設(shè)計(jì)工具。