空氣層對織物熱傳遞影響的模擬分析

服裝舒適性的研究一直都是焦點,其中熱傳遞是影響紡織品舒適性的重要性能之一,然而在人體與服裝之間、服裝與服裝之間存在著空氣,由于空氣導熱系數遠遠小于織物的導熱系數,所以空氣層對人體向外界傳遞熱量有著非常重要的影響.很多學者在空氣層對熱傳遞的影響方面做了大量工作.早在１９９９年 Torvid等[１]利用小尺度臺式測試,不考慮輻射傳熱的影響,建立了面料與傳感器之間空氣層的一維熱傳遞.Talukdar等[２]利用計算流體力學軟件 將 空 氣 層 的 模 擬 傳 熱 推 廣 到 多 維.Ghazy等[３]建立面料與空氣層的多層組合模型.孫玉釵等[４]通過有限元方法建立紡織品熱傳遞理論模型,模擬得出織物每增加１層、空氣層每增加１mm,織物的熱損失減少４０％左右.環境溫度越低,熱損失越多.常生等[５]分析不同厚度和面積的空氣層與織物的復合熱阻,得出織物與空氣層的復合熱阻會隨著空氣層的面積和厚度的增大而增大,并且呈線性關系.李利君等[６]得出增加３mm 的空氣層,多層織物系統的總熱阻值增加１０％左右.段杏元等[７]使用站立式暖汗出汗假人分別對男士發熱內衣及純棉內衣的熱阻與濕阻進行了測量,分別建立了２種內衣的空氣體積與熱阻和濕阻之間的多項回歸模型,得出２種內衣的熱阻與濕阻均隨空氣層厚度的增加而增大到大值,而后再逐漸減小.在消防服上 Fu等[８]得出在服裝多層系統中不同位置、不同厚度的空氣層對服裝的熱防護性能有不同程度影響.王云儀等[９]通過燃燒假人的三維掃描確定衣下空氣層的分布狀況,結果顯示,在肩部、前胸、大腿和膝蓋等部位的空氣層較小,在腰、后膝和小腿的空氣層相對較大.
本文將用有限元軟件對織物與空氣層的組合方式以及不同空氣層厚度下的織物模型進行傳熱模擬,探索表面瞬態溫度變化的規律,從而為隔熱服裝的設計以及不同服裝的保暖組合方式提供指導.

一、理論研究
在不考慮濕傳遞的情況下,熱量傳遞方式有:傳導、對流和輻射３種.在由人體皮膚－面料－環境構成的服裝系統中,皮膚與內層織物、外層織物與環境間的溫差很小,并且織物內部紗線與紗線交織形成的孔隙相對較小,在正常情況下,熱傳導的傳熱效果遠大于對流和輻射對傳熱的貢獻,因此實際中一般不考慮輻射的影響,只考慮導熱及對流換熱.