楊孟想, 劉讓同,2,3, 李 亮,2,3, 劉淑萍,2,3, 李淑靜,2,3

(1. 中原工學(xué)院, 河南 鄭州 451191; 2. 先進(jìn)紡織裝備技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 鄭州 451191;3. 鄭州市阻燃隔熱耐火功能性服裝與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 451191)

高低溫、熱輻射和烈火場(chǎng)是化工冶煉、消防安全、極地科考、軍事對(duì)抗、航空航天等領(lǐng)域經(jīng)常出現(xiàn)的強(qiáng)熱物理場(chǎng)特殊場(chǎng)景,對(duì)服裝和材料提出阻燃、隔熱和耐火功能的要求,有的可能需要強(qiáng)化其中某種功能,如出艙航天服對(duì)隔熱要求極高,有的則三者兼而有之,對(duì)于消防服裝不僅要求阻燃、耐火,而且需要有極好的隔熱功能。開(kāi)展服裝與材料在強(qiáng)熱條件下的熱傳遞規(guī)律研究,對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效熱隔絕具有重要的理論意義,對(duì)于熱防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)和人體熱防護(hù)具有實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。Cai 等[1]探究了芳綸和鍍鋁芳綸織物的隔熱性能認(rèn)為,鍍鋁芳綸織物的反射率、隔熱性能和保溫性能均優(yōu)于不含鋁芳綸織物。Qi等[2]提出將氣凝膠用于消防員防護(hù)服(FPC)以提高其熱防護(hù)性能(TPP),在相同的熱暴露條件下,填充氣凝膠的樣品其背面溫度比未填充的樣品低 100 ℃,帶有氣凝膠的FPC具有更好的熱防護(hù)性能。Yu等[3]測(cè)試了防護(hù)服在外部熱輻射下的隔熱性認(rèn)為,氣隙在總隔熱中起著積極作用。

由于織物結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多變性,用物理實(shí)驗(yàn)描述熱量在織物內(nèi)的瞬態(tài)傳遞過(guò)程很困難,而有限元模擬方法適合處理這類問(wèn)題。鄭振榮等[4]利用有限元軟件研究碳纖維平紋織物在熱流沖擊下的熱傳遞性能,求解織物背面溫度的時(shí)變曲線,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。張鶴譽(yù)等[5]利用有限元軟件對(duì)玻璃纖維平紋織物的熱傳遞進(jìn)行數(shù)值模擬,探究了織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳遞的影響。Ghazy等[6]建立了防護(hù)服系統(tǒng)中瞬態(tài)傳熱的數(shù)值模型,發(fā)現(xiàn)防潮層和隔熱層之間的氣隙影響大于外殼和防潮層之間的氣隙影響,氣隙寬度的增加使防護(hù)服熱防護(hù)功能迅速下降,忽略?shī)A在衣服中的氣隙會(huì)大大低估衣服的防護(hù)性能。Venkataraman等[7]采用有限元軟件對(duì)有無(wú)氣凝膠處理的非織造布的傳熱過(guò)程進(jìn)行模擬,經(jīng)氣凝膠處理的織物熱行為得到改善,氣凝膠被認(rèn)為是改善紡織品隔熱性的良好絕緣體。Zheng等[8]采用有限元法對(duì)5枚3飛緞紋、雙層平紋和雙層斜紋玻璃纖維織物的傳熱進(jìn)行了預(yù)測(cè),研究發(fā)現(xiàn),5枚3飛緞紋織物的溫度升高比雙層平紋更快,雙層斜紋織物的升溫速率低于雙層平紋,且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。Siddiqui等[9]利用有限元方法在考慮傳熱各向異性前提下對(duì)平紋織物的導(dǎo)熱率進(jìn)行預(yù)測(cè),發(fā)現(xiàn)其更加接近實(shí)際情況。為此,本文通過(guò)有限元模擬,考慮織物傳熱各向異性,在材料、線密度、經(jīng)緯密相同的條件下,模擬不同機(jī)織結(jié)構(gòu)材料的瞬態(tài)熱傳遞過(guò)程,分析織物受熱后的溫升時(shí)變,從時(shí)間和溫度2個(gè)維度提出強(qiáng)熱條件下評(píng)價(jià)織物熱防護(hù)性能的5個(gè)指標(biāo),即下表面初始升溫滯后時(shí)間、上下表面的穩(wěn)定溫度及其時(shí)間、下表面溫升速度、最大溫差和穩(wěn)定溫差,探討浮長(zhǎng)、熱源強(qiáng)度對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響,為隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 材料熱傳遞的各向異性與熱防護(hù)

1.1 材料熱傳遞的各向異性

機(jī)織物具有層級(jí)各向異性特征,從其組成材料看,纖維是由線型大分子長(zhǎng)鏈構(gòu)成的,大分子主要沿著纖維軸向排列,纖維的取向結(jié)構(gòu)使得其各種性能如濕膨脹、電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)等呈現(xiàn)各向異性,正是因?yàn)槔w維的取向結(jié)構(gòu),所以熱流沿著大分子排列的方向即纖維軸向傳遞時(shí)阻力較小,沿纖維徑向的傳導(dǎo)阻力較大,因此,纖維材料的熱傳遞存在明顯的各向異性;從其宏觀結(jié)構(gòu)看,纖維取向排列成紗,紗線再按照一定的規(guī)律交織成機(jī)織物,熱流在其中的傳遞也具有明顯的取向性,機(jī)織物的浮長(zhǎng)特征強(qiáng)化了熱傳遞的各向異性。

圖1示出織物中紗線熱傳遞模型。使用曲線坐標(biāo)來(lái)表示織物內(nèi)紗線熱傳遞的方向性,可以觀察熱流傳遞的各向異性。坐標(biāo)系中的x、y、z分別代表紗線材料的3個(gè)主軸,用kx、ky、kz表示3個(gè)主軸方向的導(dǎo)熱系數(shù),kx為沿紗線軸向?qū)嵯禂?shù),ky與kz分別為垂直于紗線軸向的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 紗線中熱傳遞各向異性的曲線坐標(biāo)模型

針對(duì)構(gòu)成織物的紗線材料,kx與ky、kz三者兩兩垂直,且ky、kz大小相等,kx、ky和kz共同決定織物的熱傳遞性能。由于熱流在織物中的傳遞具有各向異性,材料的導(dǎo)熱系數(shù)可定義為如下矩陣[10]:

1.2 材料熱防護(hù)評(píng)價(jià)

熱防護(hù)服裝可緩解環(huán)境中強(qiáng)熱對(duì)人體的灼傷,材料傳熱的各向異性可有效地將熱流按照材料本身的路徑(軸向傳遞為主)進(jìn)行傳遞,化解熱載荷集中加載而造成對(duì)穿著者的傷害。

機(jī)織物(見(jiàn)圖2(a))碰到強(qiáng)熱條件時(shí),首先使材料的上表面溫度上升,然后向材料內(nèi)部進(jìn)行傳遞,材料體溫度逐漸升高,帶動(dòng)材料下表面開(kāi)始升溫(見(jiàn)圖2(b)),最后使上、下表面溫度達(dá)到穩(wěn)定并形成溫差(見(jiàn)圖2(c))。很顯然在此熱場(chǎng)中,材料下表面溫度的升高會(huì)滯后于上表面,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也會(huì)慢于上表面,升溫速度低于上表面。在材料、熱場(chǎng)條件相同的情況下,從熱防護(hù)的角度看,這個(gè)熱傳遞過(guò)程就決定了熱防護(hù)的效果,下表面溫升滯后時(shí)間越大、升溫速度越低,上下表面形成的溫差越大,下表面形成的穩(wěn)定溫度越低,就越有利于熱防護(hù)。

圖2 織物傳熱的三維模型與溫度時(shí)變關(guān)系

根據(jù)上述熱傳遞分析,可以從隔熱時(shí)間和隔熱溫度2個(gè)維度考慮機(jī)織結(jié)構(gòu)材料的熱防護(hù)性,包括5個(gè)指標(biāo):下表面初始升溫的滯后時(shí)間t;上下表面升溫達(dá)到穩(wěn)定的溫度T1、T2,及其分別達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間t1、t2;下表面溫升速度v2=(T2-T0)/t2,式中T0為織物初始溫度;上下表面最大溫差值ΔTmax;上下表面穩(wěn)定溫差值ΔT。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

材料:分別用芳綸、滌綸長(zhǎng)絲(江蘇東昉紡織科技有限公司)織制平紋和3上1下斜紋織物。經(jīng)緯紗直徑均為0.32 mm,經(jīng)緯紗線密度均為12.166 tex,經(jīng)緯密均采用125根/(10 cm),面密度為309.04 g/m2,織物厚度為0.8 mm。芳綸、滌綸平紋織物分別編號(hào)為AA1、AP1,芳綸、滌綸斜紋織物分別編號(hào)為AA3、AP3。

儀器:根據(jù)BS EN ISO 6942—2002《防護(hù)服 對(duì)熱和火的防護(hù)試驗(yàn)方法:在暴露于輻射熱源的材料和材料組件性能的評(píng)估》,采用T421型RPP熱防護(hù)性能測(cè)試儀(上海索彤儀器科技有限公司)、計(jì)算機(jī)、有限元模擬軟件;Y208W型小樣織機(jī)(江蘇南通三思機(jī)電科技有限公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

將織物試樣暴露于單一輻射熱源下,在熱作用時(shí)間內(nèi),記錄試樣上下表面溫度時(shí)變曲線和數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表中。熱防護(hù)測(cè)試儀的溫度采集間隔設(shè)置為1 s,滯后時(shí)間采集間隔設(shè)置為0.001 s。

2.3 有限元仿真

1)織物模型。為便于仿真模擬作如下假設(shè):i)織物內(nèi)紗線之間無(wú)摩擦、無(wú)拉伸;ii)構(gòu)成織物的紗線是相同的,且為圓柱狀;iii)織物中紗線交織節(jié)點(diǎn)無(wú)擠壓、無(wú)變形;ⅳ)織物邊界是絕熱體,即和環(huán)境沒(méi)有熱交換,忽略紗線間空氣的傳熱。依據(jù)Peirce模型理論,通過(guò)建模軟件創(chuàng)建織物經(jīng)緯密均為125 根/(10 cm)的平紋、2上1下到6上1下斜紋組織6種模型。經(jīng)緯紗直徑均為0.32 mm,紗線間距為0.48 mm,織物厚度為0.8 mm。織物模型編號(hào)如表1所示。

表1 織物模型編號(hào)

2)材料屬性?？紤]熱流在材料中傳遞的各向異性,模擬分析中用到的材料有芳綸、滌綸和靜止空氣,其相關(guān)屬性參數(shù)[11-13]如表2所示。

表2 材料的物性參數(shù)

3)施加溫度載荷及邊界條件。為觀察不同組織芳綸、滌綸機(jī)織材料的瞬態(tài)熱傳遞過(guò)程,在織物模型上表面施加0.8 kW/m2的邊界熱源,在上下表面設(shè)置輻射換熱及對(duì)流熱通量,芳綸織物表面的熱發(fā)射率設(shè)為0.85,滌綸織物表面的熱發(fā)射率設(shè)為0.7,換熱系數(shù)設(shè)定為8 W/(m2·K),織物和環(huán)境初始溫度為293.15 K,選用瞬態(tài)加載法,芳綸、滌綸的模擬時(shí)間分別為300、200 s,步長(zhǎng)為1 s。為探討熱源對(duì)熱傳遞的影響,以3上1下斜紋為例,在織物模型上表面施加恒定的不同強(qiáng)度的邊界熱源,大小分別為0.8、1.6、2.4、3.2和4.0 kW/m2。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 材料熱傳遞的動(dòng)態(tài)觀察

3.1.1 溫度云圖的時(shí)變觀察

以VA3為例,運(yùn)用有限元軟件對(duì)織物進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞模擬,圖3示出VA3沿厚度方向在1、20、80、300 s時(shí)刻的溫度分布云圖?？梢钥闯?織物模型的溫度沿?zé)崃總鬟f方向逐漸降低,隨著受熱時(shí)間的延長(zhǎng),織物上表面的高溫?zé)崃恐饾u向下表面?zhèn)鬟f,模型整體顏色逐漸變淡,溫度升高。織物剛遭遇熱源經(jīng)過(guò)1 s的傳熱,上表面的溫度有升高(見(jiàn)圖3(a)),但整體仍處于低溫狀態(tài);經(jīng)過(guò)20 s的熱傳遞,熱流沿著紗線浮長(zhǎng)進(jìn)行傳遞,使織物表面紗線體的溫度升高,織物體的溫度有序提高(見(jiàn)圖3(b)),且下表面溫度也有提高,紗線交織區(qū)域有升溫優(yōu)先跡象;經(jīng)過(guò)80 s的熱傳遞,織物體中溫度較高的部分越來(lái)越多,上表面溫度基本趨于穩(wěn)定,下表面溫度繼續(xù)提高,紗線交織區(qū)域的升溫明顯快于其它位置(見(jiàn)圖3(c));由300 s時(shí)刻的云圖可知,織物體的溫度普遍升高,上下表面溫度趨于穩(wěn)定,形成穩(wěn)定的溫差(見(jiàn)圖3(d))。從熱傳遞溫度云圖看,熱傳遞的變化與織物組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

圖3 VA3沿厚度方向不同時(shí)刻溫度分布云圖

3.1.2 溫度的時(shí)變觀察

運(yùn)用有限元軟件對(duì)6種組織模型織物進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞模擬,可以分別得到芳綸、滌綸織物上下表面溫度時(shí)變曲線和上下表面溫差時(shí)變曲線。其中VA1、VA3、VA6和VP1、VP3、VP6織物分別受熱300、200 s內(nèi)上下表面溫度時(shí)變曲線如圖4所示。

圖4 芳綸和滌綸織物上下表面溫度時(shí)變曲線

從圖4的曲線形態(tài)特征可看出,織物從被加熱開(kāi)始到結(jié)束這個(gè)過(guò)程表現(xiàn)出以下特征。一是織物上表面溫度迅速上升至下表面感知到溫度變化,在此階段下表面升溫存在一定的滯后。二是傳熱初始階段,上表面溫度時(shí)變斜率表現(xiàn)出先增大后逐漸減小的趨勢(shì),芳綸上表面在前30 s內(nèi)升溫較快,滌綸上表面在前25 s內(nèi)升溫較快;而下表面溫度時(shí)變斜率則一直增加,芳綸下表面在前60 s內(nèi)升溫較快,滌綸下表面在前40 s內(nèi)升溫較快,會(huì)出現(xiàn)上下表面的最大溫差。三是傳熱平衡階段,上下表面溫度時(shí)變斜率基本表現(xiàn)為一種不變的狀態(tài),說(shuō)明傳熱達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)形成的上表面溫度:VA1VA2>VA3>VA4>VA5>VA6;VP1>VP2>VP3>VP4>VP5>VP6。

6種組織芳綸、滌綸模型織物分別受熱300、200 s內(nèi),上下表面溫差時(shí)變曲線如圖5所示?？梢钥闯?在熱流傳遞的初始階段,織物上下表面溫差迅速上升,其溫差時(shí)變斜率迅速增大,芳綸、滌綸織物分別在40、30 s附近達(dá)到最大溫差后呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì),然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng),上下表面溫差時(shí)變逐漸表現(xiàn)為一種不變的狀態(tài),這時(shí)形成的上下表面溫差存在:VA1

圖5 織物上下表面溫差時(shí)變曲線

3.2 材料的熱防護(hù)評(píng)價(jià)

3.2.1 隔熱時(shí)間評(píng)價(jià)

運(yùn)用有限元軟件對(duì)6種組織芳綸、滌綸織物進(jìn)行瞬態(tài)熱傳遞模擬,得到不同組織織物下表面溫升滯后時(shí)間和溫升速度,進(jìn)行隔熱時(shí)間評(píng)價(jià)。熱流到達(dá)下表面的滯后時(shí)間越長(zhǎng),下表面的溫升速度就越慢,對(duì)穿著者的防護(hù)效果就越好。

6種組織芳綸、滌綸模型織物下表面初始升溫的滯后時(shí)間如圖6所示?？梢钥闯?隨著織物結(jié)構(gòu)浮長(zhǎng)的增加,滯后時(shí)間增加,浮長(zhǎng)越長(zhǎng)意味著沿織物厚度方向的傳熱通道越少,強(qiáng)化了熱傳遞的各向異性,初始傳熱時(shí)熱流主要沿浮長(zhǎng)進(jìn)行平面?zhèn)鬟f,只有當(dāng)熱流已在浮長(zhǎng)部分紗線傳遞后,再通過(guò)交織部分紗線向下表面?zhèn)鬟f,形成下表面溫升的滯后時(shí)間。雖然6種組織織物下表面初始升溫的滯后時(shí)間有差異,但差別不大,芳綸織物在1.5 s內(nèi),滌綸織物在1.4 s內(nèi)。說(shuō)明單層織物作為隔熱防護(hù)的載體能夠有效阻止熱流滯后的時(shí)間在1.5 s左右,需要增加防護(hù)厚度或疊加其它材料以增加隔熱時(shí)間。

圖6 織物下表面溫升滯后時(shí)間和溫升速度

從圖6可看出,6種組織芳綸、滌綸織物下表面溫升速度隨著織物結(jié)構(gòu)浮長(zhǎng)的增加而下降,浮長(zhǎng)越長(zhǎng)意味著交織密度小,沿織物厚度方向的傳熱通道少,不利于熱流向下表面?zhèn)鬟f,使下表面溫升速度下降,有利于提高隔熱能力,因此,在模型織物中浮長(zhǎng)較短的VA1、VP1織物下表面溫升速度最大,而VA6、VP6織物的溫升速度最小。

3.2.2 隔熱溫度評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)6種組織芳綸、滌綸織物的瞬態(tài)熱傳遞模擬,得到上下表面的穩(wěn)定溫度、最大溫差和穩(wěn)定溫差,對(duì)織物進(jìn)行隔熱溫度評(píng)價(jià)。在強(qiáng)熱條件下,織物能夠維持下表面溫度越低、上下表面最大溫差和穩(wěn)定溫差越大,對(duì)穿著者的防護(hù)效果就越好。

在熱場(chǎng)作用下,6種組織芳綸、滌綸模型織物上下表面的穩(wěn)定溫度如表3所示?？梢钥闯?隨著織物浮長(zhǎng)的增加,織物上表面的穩(wěn)定溫度逐漸增大,下表面的穩(wěn)定溫度逐漸減小。引起這個(gè)現(xiàn)象的主要原因是在織物經(jīng)緯紗線密度與密度相同的條件下,浮長(zhǎng)越長(zhǎng),織物單元組織結(jié)構(gòu)內(nèi)的交織點(diǎn)越少,沿織物厚度方向的傳熱通道越少,熱流可能聚集在織物表面導(dǎo)致上表面儲(chǔ)熱越多,向織物下表面?zhèn)鬟f的熱流減少,導(dǎo)致上表面的穩(wěn)定溫度相對(duì)提高,下表面達(dá)到的穩(wěn)定溫度相對(duì)下降。

6種組織芳綸、滌綸模型織物上下表面穩(wěn)定溫差和最大溫差如表4所示?？梢钥闯?隨著織物浮長(zhǎng)的增加,最大溫差和穩(wěn)定溫差逐漸增大。其中最大溫差的形成與上下表面升溫的不同時(shí)性有關(guān),對(duì)于二者隨浮長(zhǎng)逐漸增大的趨勢(shì)與織物上下表面的穩(wěn)定溫度變化趨勢(shì)相似,原因也是相同的。

表4 織物上下表面的最大溫差和穩(wěn)定溫差

綜上所述,6種織物組織的隔熱性能由低到高為:平紋、2上1下斜紋、3上1下斜紋、4上1下斜紋、5上1下斜紋、6上1下斜紋,織物浮長(zhǎng)越大、交織點(diǎn)越少越有利于織物的隔熱性能。

3.2.3 熱源強(qiáng)度對(duì)隔熱性能的影響

不同熱源強(qiáng)度時(shí)VA3、VP3織物下表面初始升溫的滯后時(shí)間如表5所示。可知,隨著熱源強(qiáng)度的增加,滯后時(shí)間逐漸縮短。說(shuō)明在熱流強(qiáng)度較大時(shí),單層織物不足以延緩熱流的傳遞,熱流很快就透過(guò)材料達(dá)到下表面,進(jìn)一步說(shuō)明需要增加織物厚度或疊加其它材料以提高傳熱延緩能力。

表5 不同熱源強(qiáng)度時(shí)織物下表面溫升滯后時(shí)間

不同熱源強(qiáng)度下,VA3、VP3織物上下表面穩(wěn)定溫度如表6所示?？梢钥闯?隨著熱源強(qiáng)度的增加,織物上下表面的穩(wěn)定溫度逐漸提高,在4.0 kW/m2熱源強(qiáng)度下,芳綸、滌綸下表面溫度分別穩(wěn)定在345.26、350.47 K(為72.11、77.32 ℃),均超過(guò)了人體恒定生理溫度37 ℃[14],在這種熱流強(qiáng)度下可能會(huì)對(duì)人體造成熱傷害,進(jìn)一步說(shuō)明單層織物作為隔熱防護(hù)的載體其能力是有限的。

表6 不同熱源強(qiáng)度時(shí)織物上下表面穩(wěn)定溫度

同一熱源強(qiáng)度下,針對(duì)相同的3上1下織物,芳綸織物下表面溫升滯后時(shí)間和上表面穩(wěn)定溫度均高于滌綸,下表面穩(wěn)定溫度均低于滌綸。隨著熱源強(qiáng)度的增大,上述差異越來(lái)越明顯,說(shuō)明芳綸織物有效延緩了下表面溫度的升高,比滌綸更有利于隔熱應(yīng)用。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性,采用RPP熱防護(hù)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。圖7分別示出芳綸平紋、3上1下斜紋織物在熱源強(qiáng)度為0.8 kW/m2情況下,上下表面溫度的模擬和實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)變曲線。對(duì)比模擬溫升曲線與實(shí)驗(yàn)條件下獲得的溫度時(shí)變曲線可知,織物上下表面溫度上升趨勢(shì)是一致的,下表面相對(duì)上表面而言存在升溫滯后,上下表面升溫的不同時(shí)性也導(dǎo)致了最大溫差的形成(見(jiàn)圖8)。由圖7、8可知,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性,經(jīng)計(jì)算上下表面溫度的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差分別在6.37%、6.49%以內(nèi),最大溫差和穩(wěn)定溫差的模擬值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差分別在6.93%、6.87%以內(nèi),說(shuō)明所建模型能較好地反映織物的動(dòng)態(tài)傳熱過(guò)程。

圖7 芳綸織物上下表面的模擬和實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)變曲線

圖8 芳綸織物上下表面的模擬和實(shí)驗(yàn)溫差時(shí)變曲線

表7～10分別示出不同熱源強(qiáng)度下,3上1下芳綸、滌綸織物下表面初始升溫的滯后時(shí)間、下表面穩(wěn)定溫度、最大溫差和穩(wěn)定溫差的模擬值與實(shí)驗(yàn)值。可知,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性,說(shuō)明有限元仿真具有可行性。

表7 不同熱源強(qiáng)度時(shí)芳綸與滌綸織物下表面的模擬和實(shí)驗(yàn)溫升滯后時(shí)間

表8 不同熱源強(qiáng)度時(shí)芳綸與滌綸織物下表面的模擬和實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定溫度

表9 不同熱源強(qiáng)度時(shí)芳綸織物上下表面的模擬和實(shí)驗(yàn)最大溫差和穩(wěn)定溫差

表10 不同熱源強(qiáng)度時(shí)滌綸織物上下表面的模擬和實(shí)驗(yàn)最大溫差和穩(wěn)定溫差

綜上所述,織物熱傳遞模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近,但還是存在一定的差異。產(chǎn)生誤差的原因:一方面是由于模擬過(guò)程中假設(shè)織物模型的邊界是絕熱的,即和外界環(huán)境沒(méi)有熱交換,而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中織物內(nèi)的空氣會(huì)和外界產(chǎn)生熱交換;另一方面是模擬中將紗線視為圓柱體,紗線交織節(jié)點(diǎn)無(wú)擠壓、無(wú)變形,未考慮織物受熱后的變化,因此導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差,但誤差在可接受范圍內(nèi),說(shuō)明有限元仿真具有可行性。

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)三維建模構(gòu)建了6種機(jī)織物的幾何模型,在考慮材料熱傳遞各向異性的前提下,對(duì)其瞬態(tài)熱傳遞過(guò)程進(jìn)行模擬,探究材料結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳遞的影響。機(jī)織物具有層級(jí)各向異性特征,浮長(zhǎng)越長(zhǎng)意味著沿織物厚度方向的傳熱通道少,強(qiáng)化了熱傳遞的各向異性。

2) 從隔熱時(shí)間和隔熱溫度2個(gè)維度提出強(qiáng)熱條件下評(píng)價(jià)織物熱防護(hù)性能的五大指標(biāo)。在其它條件相同時(shí),浮長(zhǎng)越長(zhǎng),下表面初始升溫的滯后時(shí)間越長(zhǎng),溫升速度越小,上下表面形成的最大溫差和穩(wěn)定溫差越大,下表面形成的穩(wěn)定溫度越低,織物熱防護(hù)性能越好,6種組織的隔熱防護(hù)性能由低到高為:平紋、2上1下斜紋、3上1下斜紋、4上1下斜紋、5上1下斜紋、6上1下斜紋;在常規(guī)熱源強(qiáng)度條件下,單層織物能夠有效阻止熱流滯后約1.5 s,在強(qiáng)熱條件下,需增加防護(hù)厚度或疊加其它材料以提高隔熱能力。

3) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性,說(shuō)明利用有限元仿真模擬織物瞬態(tài)熱傳遞過(guò)程是可行的、有效的。