多孔织物热湿耦合模拟研究与发展趋势

谢璐璐, 丛 杉, 谢 倩

(1.上海工程技术大学 服装学院, 上海 201600; 2.西安工程大学 服装与艺术设计学院, 西安 710048)

研究与技术

多孔织物热湿耦合模拟研究与发展趋势

谢璐璐1, 丛 杉1, 谢 倩2

(1.上海工程技术大学 服装学院, 上海 201600; 2.西安工程大学 服装与艺术设计学院, 西安 710048)

深入探究了热湿耦合对服装热湿舒适性的重要意义，回顾了近年来多孔织物的热湿耦合研究进展，包括织物性能对热湿耦合的影响，不同物理现象下的热湿耦合研究两方面内容。总结了常见的热湿耦合数值模拟的四种途径：以Luikov传热传质耦合方程为基础的数值分析方法、有限容积分析法、有限元分析方法和基于多物理场的仿真软件应用。结合以上分析，提出了热湿耦合模拟应该从热湿参数量化、极端环境条件及多层织物热湿耦合机理进行深入研究，注重结合多孔介质传热传质理论和织物特征，以完善热湿耦合机理分析和数值模拟过程。

多孔织物; 微气候; 热湿耦合; 数值模拟

通常情况下，人体-服装-环境系统中的微气候层会受到人体新陈代谢、织物性能、环境条件的影响。热量、液态水、水蒸气会通过织物层传到外界，而外界环境的温度、湿度、气流、辐射、光照等则要经过服装的阻隔或吸收来作用于人体，如图1所示。微气候内的温度场和湿度场是相互影响、相互作用的，温度的变化会影响织物表面蒸发率、湿扩散系数、导热系数及比热容等的变化，分析两者的耦合作用，将更加符合实际微气候中织物特性。

随着科学技术的发展，热湿的研究越来越严谨、系统，学科的延伸更加拓宽了研发途径。织物的热湿耦合逐渐转化为了一个物理分析问题。一些学者根据热质传递的特点，在流体力学的理论基础上，将纺织和数学很好地结合起来[1-10]，但对传热导湿过程的描述模糊，也没有考虑到液态与气态的传送机理，与实际的情况差距较大，限制了应用范围[1-5]。随后在对模型改进时，细化了热湿耦合中汽液转换及热量传递，如考虑蒸发/凝结相变的热、湿传递等，除此之外，传质过程也被考虑进去。但是，介质本身所具有的物理性能被忽略，如吸湿性能，且多以静态条件为前提，设定的临界条件理想，需要进一步完善。近年服装的热湿研究涉及到包括热学、力学、数学、纺织材料等方面，多相流体力学的较大发展带动了许多交叉领域的进步，纺织和力学的结合更是为这个古老学科带来了新的契机。本文以纺织品为对象，回顾了近年来国内外多孔织物热湿耦合数值模拟的研究成果，并总结了常用的数值模拟途径及研究趋势。

图1 人体-服装-环境系统中的物理过程Fig.1 The physical process of the body-clothing-environment system

1 织物的热湿耦合研究现状

1.1 织物性能对热湿耦合的影响研究

服装面料的框架是柔性纤维材料，纱线之间和纤维之间存在空气，服装面料的热湿传递有其特殊性，即纤维材料有吸湿和放湿的能力，纱线间及纤维间的孔隙能传递液态水和气态水，伴随的热量传导带动水分相变，从而造成能量转移。所以要分析织物的热湿耦合过程，织物本身性能是重要的影响因素。

1.1.1 织物结构对热湿耦合的影响研究

织物作为一种非饱和多孔介质，结构比较复杂。经数值模拟与实验证明，多孔介质大孔隙的形状、排列方式连通性预计及方向的不同会造成有效导热系数的波动，尤其是连通性和方向对多孔介质的导热性能有很大影响[6]。对于一些功能纺织品，以无缝运动内衣为例，组织密度对面料的吸水率、透湿率、蒸发速率、吸水速率、扩散速度、单向传导能力及综合传递指数、透气率、热阻均有显著性影响[7]。通过数值模拟研究表明，不同组织结构织物的热湿传递还与纱线的弯曲形状有关[8]，另外颗粒与颗粒之间还存在接触热阻，因此多孔介质模型的研究就显得十分困难。

从微观角度对织物结构进行分析是目前主要的研究途径，而分型理论是目前常用的微观分析方式。2012年郑仟[9]采用分型原理，以毛细管束模型来描述多孔介质，类分形树状网络模拟裂缝网络，用毛细管束模型描述基质介质，推导了构建的双重多孔介质中气体流动的渗透率的理论模型。因气体渗透率被表示成多孔介质结构参数的函数，模型中没有经验常数，所以比经验模型可以揭示更多的物理机制。Zhu[10]在热质耦合的基础上，开发了一个多孔介质孔隙尺寸分布的分形数学模型，如下式所示：

(1)

(2)

(3)

εl+εg+εf=1

(4)

在引入分型维数、空隙率参数，并规范初始条件和边界条件，对空隙间的水蒸气浓度分布，液体水的体积分数，多孔纤维材料的温度变化及水的相对分子质量分布进行数值模拟。从微观角度分析，织物的内部结构多当作规则形状处理。徐定华[11]考虑具有平行圆柱孔结构的纺织材料中热湿传递问题，提出了热湿传递数学模型(即一类非线性常微分方程组的边值问题)。在对方程组进行解耦后，利用有限差分法和数值积分把该问题离散化为一个非线性代数方程组。平行圆柱孔结构的构想简化了模型的影响因子，与实验的结果十分接近，这是值得借鉴的地方。

1.1.2 织物热物理性能对热湿耦合的影响研究

新型材料的不断涌现，为织物热湿耦合的研究带来了新的契机，相变材料以其随温度变化而改变形态并能提供潜热的特性，在服装领域得到广泛应用。通过研究发现，在适当的范围内，含相变微胶囊较多的服装具有较好的热感觉和舒适性[12]。李凤志等[13-14]开发了一个含有相变材料的织物热湿耦合模型，对传统的热湿耦合模型进行了改进。该模型考虑了相变区间对相变及传热过程的影响及加热/冷却率对相变材料特征温度和相变热的影响，能够很好地预测含有相变微胶囊织物内的热湿传递过程。随后又发展了含单一和多种类型相变微胶囊的服装内热湿传递机理模型，为智能服装的面料设计提供了很好的理论指导，但是该模型没有考虑到纱线涨缩。

多孔介质的内部结构十分复杂，孔隙结构、通道直径及圆角变化都会对热湿耦合产生影响，借助数值模拟的方式，探究这些因素的影响能够帮助更加深入地了解热湿耦合的机理，而目前未见到比较系统、深入的研究。织物的热物理性能会影响到湿耦合模型中的关键因子，如有效热阻、透湿率、液态水体积分数、水蒸气浓度等。先前所建模型考虑的织物形态及性能比较理想，多从微观形态的建立模型，即从单位研究对象去推理整个织物的特性，这样就限制了模型的应用。

什么是幸福课堂？幸福的课堂，应该是和谐、融洽的，机灵、开放、互动的，充满知识性、趣味性又能让学生体验到自己存在价值的课堂。随着心理学进入21世纪，关注人类幸福感的积极心理学运动日益声势浩大。积极心理学在教育界也得到了广泛响应。美国哈佛大学、英国惠灵顿学院及香港中文大学先后开设讲授积极心理学的幸福课，深受学生欢迎。本文将结合积极心理学的理论体系，探讨如何运用积极心理学构建小学幸福课堂。

1.2 不同物理现象下的织物热湿耦合研究

目前，很多学者从流体力学和热力学的角度来建立数学模型，模拟多孔介质的内部流场，简化模型及边界条件的设置，以减少建模时间[15]。首先在空气厚度的研究方面，2011年黄冬梅[16]基于多孔介质连续介质模型和生物传热模型，发展了环境-织物-空气层-皮肤热湿耦合模型，模型考虑了各层织物之间存在空气层及各层织物之间的相互影响。2012年学者Yoshio Morozumi[17]通过实验和数值模拟研究出汗薄膜和非织造布片之间的热湿传递。在空隙和服装间的热传导与水分扩散的基础上，提出一个数学模型，研究出空气层的厚度大小对湿传递的影响。不足之处就是针对不同的空隙高度和加热条件的影响缺乏探讨，所得结果理解相对困难。

其次在热湿传递的过程中各相转化问题上，2007年H.Huang[18]研究了一维背景下纤维性复合材料中的热湿传递，提出了一个伴有相变现象的多组分、多相流动模型，模型中考虑了液态水流动的毛细管作用。孔凡红[19]在含湿量梯度为质驱动势的条件下，对界面处的质量和能量方程进行适当改进，对多层多孔介质热质耦合传递的模拟结果更符合实际，所建立的机理模型如图2所示。Xu[20]建立了一个在低温下多孔织物动态耦合模型，充分考虑凝结水分迁移、变量初始条件及边界条件，这一研究能为功能材料的设计、热湿舒适性指标提供有用信息。

在动态热湿耦合模型研究方面，以FAN Jintu[21-23]等的研究为代表。早前提出一个通过纤维性隔热层的热湿耦合的动态模型，模型中考虑了蒸发和移动凝结，该模型成功地解释了Farnworth的实验观察，并且模型的数值结果与实验结果吻合程度良好。随后提出在纤维性隔热层中伴有相变和移动凝结现象的热湿耦合传递的改进模型。在新模型中，考虑了压力梯度引起的水分运动，冷凝区域的超饱和状态及纤维材料的动态吸湿和液体凝聚的流动。在最新的研究中，基于以上动态模型的两层织物的热湿传递模型，除了考虑传导、辐射外，还考虑了织物与外界环境的对流换热。但是以上这些模型都没有考虑织物本身的结构特征。

图2 多层多孔材料控制体界面含湿量分布示意Fig.2 Moisture content distribution diagram of interface control of multilayer porous materials

目前建立的织物热湿耦合模型多考察常压条件下纤维层内流体的一维流动，与实际情况不符。对流传热，迎风点的位置，风速度等因素都会对服装内的传热、传湿过程产生影响。研究特殊环境条件，特别是气流对着装人体影响是完善热湿耦合模型的重要任务。

2 热湿耦合数值模拟途径

微气候中流体的流动与传热通常可以由一组偏微分方程描述，变量的关系都是高度非线性的，采用传统的解析求解方法是不实际也是不可行的，计算机

的发展使人们借助于先进成果来解决复杂流动与传热问题的想法得以实现。综合分析上述文献中的研究方法，并结合计算机技术及数值分析方法，对多孔织物热湿耦合过程进行数值分析的可能途径可以概括为以下四种。

2.1 以Luikov传热传质耦合方程为基础的数值分析方法

数值分析方法考虑了传热传质过程中吸热/放热，根据湿气迁移过程中的质量守恒和能量守恒原理，建立偏微分方程组。同时利用数值解析的方法来求解方程组进而得到热、湿度场及其动态变化的解析解[24]，所以，织物作为一种典型的多孔介质，在热湿耦合的研究中可以采用此方法。针对求解耦合方程，存在不同的求解方法，Qin Menghao等[25]对使用传递函数求解多孔材料中的热湿扩散耦合传输进行了探索。并对无限长空心圆柱耦合的传输方程进行了求解，有较强的参考价值。王元妹[26]采用有限差分法对多孔介质材料的一维和二维瞬态传热、传湿进行模拟研究，得出空心圆柱、平板内部的温度及含湿量的动态分布。在求解过程中考虑到了瞬态边界条件，使计算结果更精确，对多孔材料的裂纹分析具有重要的借鉴作用。程建新[27]对耦合常微分方程组的定解问题设计了有效的数值算法，通过数值模拟后，证明该方法的有效性与实用性，但是数值解的唯一性或稳定性还不能证明，仍然需要改进。在2011年，张小彬等[28]将多孔介质一维化，在LuiKov方程的基础上，通过引入无量纲温、湿度，使方程得到了简化，如式(5)(6)所示。

(5)

(6)

采用拉普拉斯变换和传递函数方法，得到了一维热湿耦合传递问题的解析解，所得结果能够很好地预测热湿耦合。但研究方法中所涉及的材料吸湿性能没有考虑，而材料的吸湿性会对湿热传递过程产生一些影响。

2.2 有限容积分析法

在流体力学和传热学的控制方程推演过程中，通常使用微元体的概念来建立物理模型，而在进行数值计算时，可以借助生成网格节点对子区域应用微元体的概念建立物理模型[29]。有限容积法在目前的流动传热问题的数值计算中应用广泛，成为了科学研究的重要工具，其守恒性和物理概念明显的特点是其他数值方法无法相比的。如李凤志等[30]给出了一种基于控制体积法和时域递归展开的求解织物热湿传递耦合方程的算法，具体就是化连续性的非线性微分方程组为一系列的递归形式的线性代数方程组，该方法的预测结果具有不依赖时间步长的特点。朱云飞[14]对相变微胶囊织物内部的热湿传递机理进行深入研究，详细讲解了有限容积过程，但是该模型对冬季的低温环境并不适用，针对人体的温湿度控制系统仍然需要完善。

2.3 有限元分析方法

在科学研究与工程数值模拟中，经常需要进行大量的数学分析计算，在科研工作中有限元法是应用最广泛的数值计算方法之一，是解决科学技术问题的主要工具。朱正刚等[31]基于连续介质力学的宏观尺度对多孔介质的热、湿和气三者耦合迁移进行数值模拟，研究压力梯度对热质传输的影响。他的突破点是采用Galerkin加权余量的有限元方法，提出了温度、含湿量和气相压力在Dirichlet边界条件及混合边界条件下的三维耦合数值模型。当前常见的大型商业有限元软件有ANSYS、MSC/Nastran、ALGOR等。以ANSYS Multiphysics为例，由于ANSYS软件具有建模简单、快速、方便的特点，因而成为大型通用有限元程序的代表[32]。可进行包括结构、热、声、流体，以及电磁场等的数值计算[33]。能够实现结构、温度场、流场之间的耦合分析，减少了假设和简化过程，精度更高，缩短完成时间，使科研活动更加高效。

2.4 基于多物理场的仿真软件应用

目前，通常接触到的大型商业软件主要以工程技术应用为主，而对于科学研究理论与工程模拟密切结合的分析软件以FEPG(Finite Element Program Generator)具有代表性。FEPG是一个专业有限元数值分析软件包，是基于偏微分方程的科学与工程问题进行建模及仿真计算的交互开发环境系统，而偏微分方程是科学问题的基础和根本[34-35]。与同类型的通用程序比较，通用程序仅能解决某一类型或某几种类型的问题，而FEPG可以生成解决任何有限元问题的程序[36]。虽然FEPG是一个强大的分析工具，能够定义和耦合任意数量偏微分方程，且在内存占用、计算速度和准确率方面都有优势[37]，但对织物湿热传输耦合作用能否进行简单易行的分析，还有待于相关实践的验证。

针对流体热学的研究虽然很多，但基于热湿耦合传递模拟的方法选择以数值解析法、有限元分析为主要考虑对象。结合上述的研究途径，有限容积分析法和有限元仿真软件在热湿耦合模拟研究中的可行性较高，但需要结合织物特点进行合理选择和改进。

3 发展趋势

多孔织物热湿耦合模型的发展十分迅速，模型应该更加真实地反应实际生活中千变万化的外部环境，综合分析现有关于织物热湿耦合及数值模拟研究的文献，多孔织物热湿耦合模型发展趋势主要有以下几个方面。

3.1 织物热湿参数的量化研究

在一定的环境条件下，织物热湿基本参数会随着温度、湿度的变化而变化，如织物中水气的变化会引起织物物性参数的改变，织物内发生各相的转变，会改变织物的传热传湿过程。而大多数模型，热湿参数是以常数处理，因此是不合理的。一般在稳态状态下测量织物的热物性参数，需要很长的预热过程，配置复杂，且对边界条件的要求比较严格。非稳态下测试时间短，干扰少，且能同时测量多个热物性参数[38]。同时考虑到纤维材料的多相多孔容易引起结构内部自然对流、水分蒸发等现象，会影响到测试结果的准确性，在局部非热平衡状态下，材料热物性参数对热湿耦合强弱的影响是急需解决的课题方向。

3.2 极端环境下热湿耦合模拟研究

直接对极端情况下织物热湿耦合的研究非常少(主要见于国内)，而且多数的研究并不是以研究织物热湿耦合为目的，一些织物耦合研究并没有真正反映出热湿耦合作用。尤其是目前模型建立多以一维为主，在预测温度场分布上存在缺陷，织物的热湿传递在厚度和宽度方向不能得到描述，譬如相邻的两点间的热湿传递不能被描述[32]。同时边界上的热/湿源，或者区域热/湿源都不能在一维模型中被描述。在多维方向尤其是非稳态条件下，能够比较全面反映出的热湿耦合机理研究仍然欠缺。

3.3 多层织物热湿耦合机理探讨

实际生活中，人体多是多层结构的着装状态，因此研究多层服装的热湿耦合机理十分重要。当前对多层服装的研究存在不足，在加热制冷方面的研究较少，在热辐射、热对流方面更少，而且多层热湿耦合模型也多建立在一维方向，在影响因子预测上存在缺陷[19]。建立多层织物热湿耦合模型时，不仅要考虑到空气层间的热湿转换过程，织物本身的热物理参数、厚度，甚至纤维的热分解反应也会对热湿耦合产生影响，完善多层织物的热湿耦合机理也是目前重要的研究方向。

4 结 语

多孔织物热湿耦合模型的研究经历了很长一段时期，从最初的机理描述到现在的仿真模拟技术的应用，取得了很大的进步。本文从近年来织物性能和不同物理现象下的研究热点出发，指出模型考虑的织物形态及性能比较理想，多从微观形态的建立模型，限制了模型的应用，同时织物热湿耦合模型目前建立的织物热湿耦合模型多考察常压条件下纤维层内流体的一维流动，与实际情况不符。缺乏对流传热，迎风点的位置，风速度等因素的考虑。其次从数值分析方法、有限容积法、有限元法及仿真软件的应用概述了常用的数值模拟途径。目前的研究主要基于一维条件下的热湿传递机理，并逐步得到完善，但是在织物本身的物理属性与结构特征考虑较少，极端环境下的热湿耦合模型仍然存在研究缺陷。此外，多层织物热湿耦合模型的也构建十分迫切，尤其是三维方向研究欠缺。多孔织物热湿耦合的研究需要借鉴多孔介质传热传质理论的相关理论，通过合理的调整应用到织物的热湿耦合研究中。对热湿耦合机理分析及数值模拟的过程进行改进，这样才能使成果更加合理通用，在实际的分析及预测中也更加准确。

[1]HENRY P S H. The diffusion of moisture and heat through textiles[J]. Discussions of the Faraday Society,1948(3):243-257.

[2]NORDON P, DAVID H G. Coupled diffusion of moisture and heat in hygroscopic textile materials[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1967,10(7):853-866.

[3]OGNIEWICZ Y, TIEN C L. Analysis of condensation in porous insulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1981,24(3):421-429.

[4]MOTAKEF S, EL-Masri M A. Simultaneous heat and mass transfer with phase change in a porous fabric[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1986,29(10):1503-1512.

[5]MURATA K. Heat and mass transfer with condensation in a fibrous insulation slab bounded on one side by a cold surface[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,1995,38(17):3253-3262.

[6]李小川,徐友伟,黄庠永.大孔隙对多孔介质导热性能影响的数值分析[J].华北电力大学学报,2012,39(6):76-79. LI Xiaochuan, XU Youwei, HUANG Xiangyong. Numerical analysis of the influence of macropore on thermal conductivity of porous media[J]. Journal of North China Electric Power University,2012,39(6):76-79.

[7]魏林娜.织物结构对无缝运动内衣面料性能影响的研究[D].北京:北京服装学院,2012. WEI Linna. Reaserch of the Effect of Fabric Structure on the Performance of Seamless Sports Underwear[D]. Beijing: Beijing Institute of Fashion Technology,2011.

[8]郑连锋.织物参数与结构对服装热湿舒适性影响规律的研究[D].青岛:青岛大学,2004. ZHENG Lianfeng. Study for the Effect of Fabric Parameters and Struture on the Heat and Moisture Comfort[D]. Qingdao: Qingdao University,2004.

[9]郑仟.分形多孔介质中气体流动与扩散的输运特性研究[D].武汉:华中科技大学,2012. ZHENG Qian. Study of Some Transport Properties for Gas Flow and Diffusion through Fractal Porous Media[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2012.

[10]ZHU Q Y, XIE M H, YANG J, et al. A fractal model for the coupled heat and mass transfer in porous fibrous media[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2011,54(7):1400-1409.

[11]徐定华,葛美宝.一类纺织材料热湿传递模型的数值解法[J].江西科学,2010,28(5):578-582. XU Dinghua, GE Meibao. A Numerical method of a heat and moisture transfer model in Textiles[J]. Jiangxi Science,2010,28(5):578-582.

[12]李凤志,王鹏飞,涂强,等.相变服装对人体动态热感觉影响模型[J].南京航空航天大学学报,2011,43(2):262-267. LI Fengzhi, WANG Pengfei. Numerical simulation for influences of garment with phase change materials on dynamic thermal sensation of human body[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2011,43(2):262-267.

[13]李凤志,吴成云,李毅.附加相变微胶囊多孔织物热湿传递模型研究[J].大连理工大学学报,2008,48(2):162-167. LI Fengzhi, WU Chengyun, LI Yi. A model of heat and moisture transfer in porous textiles with microencapsulated phase change materials[J]. Journal of Dalian University of Technology,2008,48(2):162-167.

[14]朱云飞.相变服装热湿传递机理及对人体热响应影响的模型研究[D].南京:南京航空航天大学,2011. ZHU Yunfei. Modeling and Simulation of Heat and Moisture Transfer in PCM Clothing and Influences on Human Thermal Responses[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2011.

[15]张明宝.多孔介质流场的热模拟方法[J].电站辅机,2012,33(2):9-12. ZHANG Mingbao. The method of thermal simulation in flow field with porous media[J]. Power Station Auxiliary Equipment,2012,33(2):9-12.

[16]黄冬梅.低辐射强度条件下消防战斗服内部热湿传递机理研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011. HUANG Dongmei. Study on the Heat and Moisture Transfer Mechanism in Firefighters’ Protective Clothing under Low Heat Flux[D]. Hefei: University of Science and Technology of China,2011.

[17]MOROZUMI Y, AKAKI K, TANABE N. Heat and moisture transfer in gaps between sweating imitation skin and nonwoven cloth: effect of gap space and alignment of skin and clothing on the moisture transfer[J]. Heat and Mass Transfer,2012,48(7):1235-1245.

[18]HUANG Huaxiong, YE Changhua, SUN Weiwei. Moisture transport in fibrous clothing assemblies[J]. Journal of Engineering Mathematics,2008,61(1):35-54.

[19]孔凡红.多层多孔介质层间界面处的热质耦合传递[J].太阳能学报,2010,31(10):1281-1286. KONG Fanhong. Coupled transfer of heat and masks at interface multilayer porous media[J]. Acta Energiae Solaris Sinica,2010,31(10):1281-1286.

[20]XU Dinghua, GE Meibao, ZHANG Haili. Numerical solution of a dynamic model of heat and moisture transfer in porous fabric under low temperature[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2013,61:149-157.

[21]FAN Jintu, WEN Xinghuo. Modeling heat and moisture transfer through fibrous insulation with phase change and mobile condensates[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2002,45(19):4045-4055.

[22]FAN Jintu, CHENG Xiaoyin, WEN Xinhuo, et al. An improved model of heat and moisture transfer with phase change and mobile condensates in fibrous insulation and comparison with experimental results[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2004,47(10):2343-2352.

[23]WU Huijun, FAN Jintu. Study of heat and moisture transfer within multi-layer clothing assemblies consisting of different types of battings[J]. International Journal of Thermal Sciences,2008,47(5):641-647.

[24]CERNY R, ROVNANIKOVA P. Transport Processes in Concrete[M]. London: Taylor & Francis,2004.

[25]QIN Menghao, BELARBI R. Development of an analytical method for simultaneous heat and moisture transfer in building materials utilizing transfer function method[J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2005,17(5):492-497.

[26]王元妹.多孔介质传热传质及热湿应力分析[D].南京:南京航空航天大学,2008. WANG Yuanmei. The Analysis of the Process of Heat and Mass Transfer in Porous Media and Hygrothermal Stress[D] Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2008.

[27]程建新.纺织材料热湿传递的数学模型研究[D].杭州:浙江理工大学,2011. CHENG Jianxin. Study on Mathematical Model of Heat and Moisture Transfer Through Textiles[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University,2010.

[28]张小彬,朱卫兵,谭斯鹏.一维多孔介质热湿耦合传递问题的解析解[J].哈尔滨工程大学学报,2011,32(8):984-987. ZHANG Xiaobin, ZHU Weibing, TAN Sipeng. Theoretical analysis of computing coupled heat and moisture transfer in a one-dimensional porous medium[J]. Journal of Harbin Engineering University,2011,32(8):984-987.

[29]潘阳.计算传热学理论及其在多孔介质中的应用[M].北京:科学出版社,2011:9-16. PAN Yang. Calculation of Heat Transfer Theory and its Application in Porous Media[M]. Beijing: Science Press,2011:9-16.

[30]李凤志,李毅,曹业玲.求解织物热湿耦合方程的控制体一时域递归展开算法[J].南京航空航天大学学报,2009,41(3):319-323. LI Fengzhi, LI Yi, CAO Yeling. Control volume-time domain recursive method for solving coupled equations of heat and moisture transfer in fabrics[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2009,41(3):319-323.

[31]朱正刚.多孔介质在压力梯度作用下的热质耦合数值模拟[J].计算力学学报,2011,28(3):388-393. ZHU Zhenggang. Numerical simulation of coupled heat and mass transfer under the effect of pressure gradient in porous media[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics,2011,28(3):388-393.

[32]钟鸣.多孔织物二维动态耦合热湿传递模型研究及数值仿真[D].广州:中山大学,2006. ZHONG Ming. Research and Numerical Simulation of Dynamic Coupled Heat and Moisture Transfer in Porous Textiles[D]. Guangzhou: Zhongshan University,2006.

[33]赵恒华,高兴军.ANSYS软件及其使用[J].制造业自动化,2004,5:20-23. ZHAO Henghua, GAO Xingjun. Software of ANSYS and its usage[J]. Manufacturing Automation,2004,5:20-23.

[34]张红霞,杜永胜.ANSYS软件在流体力学教学中的应用研究[J].广东化工,2010,37(2):152-153. ZHANG Hongxia, DU Yongsheng. The research and application of ANSYS software in fluid mechanics teaching[J]. Guangdong Chemical Industry,2010,37(2):152-153.

[35]梁琳.科学研究与工程数值模拟的必备工具-FEMLAB[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(10):48-49. LIANG Lin. Numerical simulation of scientific research and engineering tool-FEMLAB[J]. CAD/CAM and Manufacturing Information,2005(10):48-49.

[36]梁国平,唐菊珍.有限元分析软件平台FEPG[J].计算机辅助工程,2011,20(3):92-96. LIANG Guoping, TANG Juzhen. Finite element analysis software platform FEPG[J]. Computer Aided Engineering,2011,20(3):92-96.

[37]ENERPAC B V, KREMER I. Benchmarks of scientific modelling software reveal that FEMLAB rivals specialised packages[J]. Materials and Design,2005,26(3):259-260.

[38]左磊.纤维材料热物理性能非稳态测试方法研究[D].上海:东华大学,2011. ZUO Lei. The Research of Unsteady-statet Test Method for Fiber Material’s Thermal[D]. Shanghai: Donghua University,2011.

Simulation Study on Heat and Moisture Coupling of Porous Fabrics

XIE Lulu1, CONG Shan1, XIE Qian2

(1.Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China; 2. Fashion and Art Design College, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048, China)

This paper deeply explores important significance of heat and moisture coupling on heat and moisture comfort of clothing, reviews the research progress of heat and moisture coupling of porous fabrics in recent years, including effects of fabric properties on heat and moisture coupling and study on heat and moisture coupling under different physical phenomena, summarizes common four approaches for numerical simulation of heat and moisture coupling: numerical analysis method based on Luikov heat and mass transfer coupling equation, finite volume method, the finite element analysis method and simulation software application based on multi-physics field. Based on the above analysis, this paper proposes that heat and moisture coupling simulation should be deeply studied from the aspects of heat and moisture parameter quantification, extreme environmental conditions and heat and moisture coupling mechanism of multiple fabrics and pay attention to combination of porous medium heat and mass transfer theory and fabric features to perfect analysis of heat and moisture coupling mechanism and numerical simulation process.

porous fabric; micro-climate; heat and moisture coupling; numerical simulation

10.3969/j.issn.1001-7003.2014.06.009

2013-11-15;

2014-02-27

上海工程技术大学高水平培育项目(A-0508-13-01032 - 2012gp32)

谢璐璐(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为多孔织物热湿耦合机理模拟。通信作者：丛杉，副教授，cong_3@126.com。

TS941.19

A

1001-7003(2014)06-0041-07