多孔纤维织物热湿传递数值模拟的研究进展

王红梅， 郑振荣， 张楠楠， 张玉双， 赵晓明，2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

多孔纤维织物热湿传递数值模拟的研究进展

王红梅1， 郑振荣1， 张楠楠1， 张玉双1， 赵晓明1，2

(1. 天津工业大学 纺织学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

热湿传递数值模拟的研究可为多孔纤维织物的制备和热湿性能评估提供理论基础。在阐述了织物热湿传递机制的基础上，从织物热湿传递数值模型、数值模拟计算方法以及织物热湿传递性能测试方法3个方面，综述了近年来关于织物热湿传递方面的新进展，分析了现有织物传热传湿数值模拟研究中存在的问题，提出在创建织物三维方向上的热湿耦合模型时，要综合考虑织物本身的交织结构特征和纱线的物理性能；在数值分析过程中要充分考虑实际应用条件下织物材料物理性能的变化，进一步优化织物传热传湿数值模型，提高模拟计算的准确度。

织物； 热湿传递； 数值模拟； 热湿耦合

近年来，多孔介质的传热传质研究有了较大的发展，在许多工程技术领域都有广泛的应用[1]，例如建筑材料的节能保温问题，岩层的蓄热、蓄冷过程，太阳能的蓄热储能，植物与土壤中的湿热迁移现象，化学品的分离提纯，谷物、木材和纺织品的干燥及石油热采等[2]。由于纺织材料也是多孔介质，将多孔介质的传热传质方法引入到纺织材料的传热传湿过程中具有很大可行性。目前研究纺织材料传热性能的方法主要有实验和数值模拟[3]。纺织材料热防护性能的测评主要依靠物理实验，该方法具有破坏性及不可重复性[4]。织物热湿数值模拟是利用计算机软件建模，通过数值计算的方法对织物传热传湿特性进行评估。随着计算机技术的发展，数值模拟方法的应用范围、规模、解题速度和精确度都有很大的进展[3]，这种方法可以代替大量的实验，具有快速、安全环保和成本低的优点[5]。

服装和热防护材料的设计均需考虑纺织材料的传热传湿特性。它对于人体着装的舒适性和纺织品的热防护效能非常重要。纤维材料内水分的变化对纤维热传导的影响很大，而纤维材料内部温度分布的变化，又会影响纤维的传湿[6]。采用数值模拟的方法研究织物的热湿传递特性，以此预测纺织材料的隔热性能和舒适性能，从而为新型热防护材料、服装面料的设计和优化提供科学的理论指导[7]。本文主要介绍了国内外多孔纤维织物的传热传质方面的研究进展，并指出了今后织物热湿数值模拟研究的发展方向。

1 织物热湿传递的机制分析

传热是热量从高温区域向低温区域传播的过程，是由温差引起的。热量在多孔纤维织物中的传递方式有热传导、对流以及辐射3种形式[8]。

热传导是静止物质内的分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递方式[8]。

对流是多孔材料内部孔隙的流体宏观运动而引起流体各部分之间产生相对位移，导致冷、热流体相互掺混所产生的热量传递方式。由于流体分子不规则的热运动，热对流必然伴随热传导[8]。

物体通过发生电磁波来传递热量的方式称为辐射传热[8]。

在实际的传热过程中，这3种传递方式并不是单独存在的，可以互不依靠地同时发生。由于多孔纤维织物内部的纤维之间、纱线之间或纱线中纤维之间的缝隙孔洞相对较小，一般情况下，热传导处于主导地位，而热对流和热辐射贡献较小[9]，但在较高温度条件下，热辐射是不容忽视的。

从宏观上看，多孔纤维织物为纤维与空气的集合体，通常情况下，空气中含有一定的水分，在传热过程中，也会有水分的传递与吸收，与传热同时存在并相互影响。不同纤维的吸湿能力不同，纤维的吸湿放热会引起织物温度的变化，同时温度的升高又会引起水蒸气饱和，蒸气浓度变大，进而引起蒸发量的变化[10]。织物的热湿传递是一个非独立的动态过程，热和湿的传递过程是耦合的，织物的热阻受纤维吸湿与放湿的影响[11]。因此，多孔纤维织物内部热传递过程通常包括纤维、水分、水蒸气的热传递、水蒸气的扩散、液态水的蒸发及水蒸气的液化等过程[12]。图1示出多孔材料微观结构内各相之间热质传递、相变及化学反应示意图。

多孔纤维织物结构具有多样性和随机性，其内部热湿传递过程通常复杂多变。因此，对于不同条件下纤维材料的传热传湿过程，要分别建立其热湿传递数学模型进行数值模拟。

2 织物热湿传递数值模拟研究进展

建立织物内热湿传递数学模型，提供更为准确的计算方法，可为纤维材料的设计与评价提供理论基础。近年来，国内外相关学者对织物热湿传递数值模拟进行了广泛深入的研究，在传热理论、计算方法及模拟工具等方面都有了进一步的发展。

2.1 模型的建立与分析

早在1948年，Henry[13]建立了热湿耦合数学模型并且分析了纤维的热湿传递性能。为了简化模型，他认为纤维吸湿后体积不发生变化，且纤维与环境中的热平衡瞬间即可完成，其模拟数值与实际结果偏差较大，因此该模型并没有得到广泛的应用。Neves S F等[14]认为在纺织材料热湿传递过程中纤维的内部存在水分，将织物看作是一种气固两相的均匀介质，且纤维内的水分是不可移动的，建立沿织物厚度方向的一维传热模型，通过计算验证该模型的有效性，并对模型参数进行了灵敏度分析，结果显示纤维中保留的水分在织物热湿传递过程中是不可忽略的，对其温度和湿度的分布影响显著。由于空气和水分对温度敏感，2011年Ding Dan等[15]假定织物模型中空气和水分是温度的函数，忽略环境条件对流传热、辐射传热的影响，且认为织物中的空气为静止空气，不发生流动。假定织物在水平方向的尺度远远大于垂直方向的尺度，求解一维方向上温度和水蒸气浓度在整个织物层的分布，计算织物的热阻和湿阻。

当相对湿度瞬变期间，热和湿的传递过程是耦合的，其传递机制比较复杂，包括相变和多组分流体的流动。该过程中，浓度和压力差驱动水蒸气和空气发生相对扩散和对流通过织物，多相(流体、纤维、气体)热传导和气体的对流，相变以多种形式出现，包括蒸发、冷凝、纤维吸收水分等[16]。以往关于热湿传递的理论与实验研究没有考虑影响织物热湿传递的物理因素，如纤维的吸附与解吸，自由水的冷凝与蒸发等。2007年Wang Ruomei等[17]结合热湿传递过程中的物理现象，考虑了纤维吸附和释放水分、自由水的冷凝和蒸发、水分的扩散和热的传导等[18]，并将辐射传热考虑在内，采用有限元体积法计算模型，模拟结果与实验数据具有良好的一致性。2005年，Fan Jintu等[19]结合多孔纤维织物中湿传递过程中相变和水分的移动，建立了热湿传递数学模型，如图2所示。

模型认为水分的移动是由水蒸气压力、纤维吸湿以及自由水的运动引起的。假定织物内部纤维排列是各向同性的，纤维吸湿后体积不发生变化。然而该模型热和湿的传递仅限于一维方向，并且忽略了多孔纤维织物液态水的毛细效应，为了改进模型，2009年Mao Aihua 和 Li Yi[20]根据纤维沿纵向和横向通过芯吸(见图3)和吸湿进行湿传递，并且结合与传热传湿相关的基本物理定律如傅里叶定律(传热)、菲克第一定律(传湿)、达西定律(液态水传递)等提出建立一个可测量的参数化模型。控制方程[20]为

水蒸气的质量守恒方程：

能量守恒方程：

(ωaλv+ωlλl)εfΓf-λlgΓlg

液态水的质量守恒方程：

式中：Ca为纤维孔隙内水蒸气浓度，kg/m3；εa为水蒸气体积分数；εl为液态水体积分数；εf为纤维的体积分数；Da纺织材料内水蒸气扩散系数，m/s；Dl纺织材料中液态水的扩散系数，m/s；τl、τa分别为纺织材料液态水扩散的有效弯曲通道和水蒸气扩散的有效弯曲通道；ωa、ωl分别为纤维表面吸附的汽态水和液态水的含量；Γlg，Γf分别为液态水/水蒸气的蒸发/凝结速率和水分的有效吸附速率；cv为纺织材料的体积比热容，J/(m3·K)；FL(R)分别为控制单元内织物左侧到右侧传递的总的热辐射，W/m2；λlg为蒸发/凝结传质系数，m/s；λv为纤维吸附/解吸水蒸气所产生的热量，kJ/kg；，λl为纤维吸附/解吸液态水所产生的热量，kJ/kg；ρl液态水的密度，kg/m3。

该模型能够模拟液态水沿多维方向扩散的热湿传递过程，可用于智能服装或者功能材料的设计。

2007年Li Yongbao等[21]研究了纤维层的孔隙度和透气性对传热传湿的影响，在不同织物的参数和边界条件下，引入有限元体积法计算织物中温度、凝结水和水分浓度的分布。织物是纤维的集合体，纤维与纤维之间、纱线与纱线之间、纱线与纱线在空间的几何分布使得织物内部的孔隙结构比较复杂。以上模型考虑了传热及水气的蒸发、扩散、凝结，未考虑纺织品的结构特征、孔隙率、孔隙的形态对热湿传递的影响[22]，不能反映热湿传递的本质。程建新[23]将水蒸气和空气在织物内视为一维流体，建立“平行圆柱孔”孔隙形态结构特征的织物热湿传递方程，采用有限差分法对稳态模型进行求解，其数值模拟结果与实验结果吻合程度良好。以往的织物传热，将织物内部看成纤维与孔隙均匀混合体或者简单地将纤维与空气平行排列，无法准确了解织物内部的温度分布。Jaganathan S等[24]将大多数纤维材料的内部结构分为3类(见图4)，即：单向结构，所有圆柱形纤维的纤维轴互相平行排列；分层结构，圆柱形纤维的纤维轴在垂直于热流方向的平面内随机排列；三维各向同性结构，纤维轴沿任意方向随机排列。Arambakam R等[25]在此基础上利用数值模拟的方法研究不同微观结构纤维的有效热导率。但是该模型只适用于热传递过程中热传导占主要地位的情况，不适用高温条件传热(考虑辐射传热)和卷曲纤维材料以及多组分纤维材料，而且这是针对非织材料传热的模拟，模型求解过程中不考虑织物结构相的影响。

范坚等[26]建立了织物单元结构二维传热的数值模型，可模拟在热量从人体皮肤通过织物过程中温度的分布规律，并且比较了平纹/斜纹织物的传热。然而该模型并没有考虑辐射和对流传热、湿传递以及热湿耦合的影响。为了更全面地描述织物中各种传热、传湿过程，高瑞霞等[27]从织物的结构分析，综合考虑了织物内的导热、对流、辐射与相变等现象，同时考虑了热与湿的相互耦合作用，建立了平纹机织物单元结构热湿传递的数值模型，研究在热湿从人体皮肤通过织物传递过程中任意时刻的热流量和湿流量在织物内部的传递规律。但是模型中织物的几何结构比较简单，没有考虑织物的物理参数、织物的毛细效应、厚度变化以及高温条件下面料的热分解对传热传湿的影响。

2.2 数值模拟计算

在传热领域中，求解导热问题的方法有分析解法、近似分析解法和数值解法等。数值解法可求解几何形状不规则，边界条件复杂或呈非线性的导热问题[28]。多孔纤维织物的热湿微分方程的计算一般采用数值解法，常用的数值解法是有限单元法、有限体积法、有限差分法以及控制体积-时间域递归算法[29]。 基于热湿耦合模型，对有效、可行的数值求解方法进行探索。Hang X D等[30]提出一种离散的半隐式有限元体积法来研究多孔织物的热湿传递。徐定华等[31]提出热湿耦合的强非线性方程组，首先对该方程组解耦，然后通过有限差分和数值积分法把原方程离散为一个多元非线性方程组，选用牛顿迭代法求解，从而计算出织物内部的温度分布、水蒸气质量通量和水蒸气压力的分布，数值结果与实验数据吻合，从而说明了算法的有效性和可行性。为了计算不同环境条件下温度、水蒸汽浓度、水分含量在不同织物中的分布，Xu Dinghua等[29]提出一种无条件稳定隐式迭代算法求解非线性偏微分方程。程建新[23]将耦合方程组的解耦与有限差分算法相结合，将方程离散转化为显式差分方程，求得模型的解。

随着优化数值计算方法的不断进步，以及各种计算软件的应用，数值模拟计算的速度和准确度都得到了很大的提高。以采用计算软件Matlab语言编程求解数学模型为例，根据求得数值解，可绘出织物内温度、湿度随时间变化的分布图。除此之外，ANSYS软件，由于建模简单、求解快速，能实现多场及多场耦合功能，成为应用最广泛的有限元分析软件之一。

3 织物热湿传递性能测试方法

数值模拟方法为解决复杂的传热传湿分析计算提供了有效的途径，但其关键点是与实际的符合程度，常用实验的方法对数值模拟的有效性进行验证。目前，织物传热传湿性能的主要测试方法有：织物微气候测试仪、热防护性能仪(TPP)、暖体假人、燃烧假人、微型CT扫描仪等。

织物微气候仪能够快速测量皮肤、空气层、织物以及与外界环境温湿度的动态变化。刘丽英[32]建立的数值模型研究了涤、棉织物微小气候内动态温湿度的分布，利用微小气候测量系统测量织物的微小气候空间内温湿度的变化来验证模型。热防护性能仪是将织物样品放置在热流量可控的模拟火场，通过织物后面的热流传感器测量皮肤达到二度烧伤所需的时间，用该条件下TPP值来评价织物的热防护性能。暖体假人是模拟人体与环境之间热湿交换的仪器，可以用来测量服装的蒸发阻抗和评价其热湿传递性能。Lu Yehu等[33]基于出汗暖体假人研究了出汗率对于服装真实的蒸发阻抗的影响。燃烧假人实验是以燃烧假人作为人体的替身，通过假人表面的热流传感器进行数据采集，从而分析评价防火服的整体热防护性能。燃烧假人系统可以作为火灾环境下服装传热数值模拟的一种有效的验证和优化手段。卢业虎等[34]基于燃烧假人测试系统，研发了新型的织物高温液体飞溅物防护性能测试仪，分析了高温液体环境下织物的热湿传递规律。Song等[35]基于燃烧假人，采用有限差分法实现了闪火环境中防护服装与人体皮肤传热过程的模拟。微型CT是利用X射线通过对物体内部的断层扫描，对材料内部结构和物质成分进行分析研究。Watanabe等[36]利用CT扫描仪对木材的干燥过程进行了动态成像研究，获得了内部含水率的分布。吴迪等[37]利用CT成像、结构重构及灰度值分析技术研究了多孔介质内加热产生的气液相变湿分迁移特性。

4 结论及展望

近年来，织物热湿传递数值模拟取得了较大的进展。从简单的一维稳态热湿传递模型发展到基于织物结构参数并结合流体相变的热湿耦合模型。模型求解方法也得到了很大的进步，数值模拟计算的速度和准确度都得到了很大的提高。

为了减小计算量，以往研究常常简化模型(如将织物看作匀质平板)，考虑的边界条件、织物的形态和性能都比较理想化，计算结果与真实情况还有一定的偏差。目前建立的织物热湿耦合模型大多数是从微元的基础上建立模型，初步考虑到织物本身的物理性能(纤维种类、热导率、水汽扩散系数)和结构特征(织物结构相、纱线、单层/多层、纱线与纱线的孔隙结构等)对传热传湿的影响，在今后的研究中应深入研究多孔纤维织物的热湿传递机制，建立完善的织物传热传湿数值模型将成为传热领域研究的重点。以往着重于研究一维条件下单层织物的热湿传递，探索多层织物和复杂结构的织物在三维方向的热湿耦合机制及模型，还存在着较多困难，有待进一步深入研究。此外，不同的织物在传热传湿的过程中，吸湿后体积会发生膨胀，高温情况下也会有一定程度的收缩。因此，根据研究的纤维种类和应用环境，今后应进一步优化织物传热传湿模型与提高计算的精度。

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Research progress of numerical simulation on heat and moisture transfer in porous textiles

WANG Hongmei1, ZHENG Zhenrong1, ZHANG Nannan1, ZHANG Yushuang1, ZHAO Xiaoming1，2

(1. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China; 2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites of Ministry of Education, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

Research of numerical simulation of heat and moisture transfer can provide theoretical foundation for the preparation and heat-moisture properties evaluation of porous textiles. Based on the heat and moisture transfer mechanism, new progress of the heat and moisture transfer through fabrics was summarized in terms of heat and moisture transfer models, numerical simulation methods and test methods of fabric heat-moisture transport properties, and the problems existing in the numerical simulation of heat and moisture transfer in fabric were analyzed. Taking into consideration interweave structure characteristics of fabric and the physical properties of the yarn was proposed when coupled heat and moisture transfer model established in three-dimensionl. In addition, the change of material physical properties depending on practical application conditions was considered in the process of numerical analysis, heat and moisture transfer numerical model of fabric need further optimize and the improvement of the accuracy.

fabric; heat and moisture transfer; numerical simulation; heat and moisture coupling

10.13475/j.fzxb.20150907007

2015-09-28

2016-07-04

国家自然科学基金项目(51206122)；天津科委自然科学基金项目(13JCQNJC03000)；中国纺织工业联合会项目(2012002)

王红梅(1989—)，女，硕士生。主要研究方向为热防护纺织品的开发。郑振荣，通信作者，E-mail：tianjinzhengzr @163.com。

TS 101.3

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