基于三维间隔织物的隔热服传热模拟

K.Krause，P.Grünefeld，L.Barth，L.Lechthaler，C.Peiner，T.Gries

亚琛工业大学 纺织技术研究所(德国)

ZIM项目HEATex(编号：ZF4018754CJ6)旨在开发一种具有三维间隔编织和相变性能的隔热纺织品。采用这种纺织品可制作高温环境下工人穿着的内衣。在德国，大约有10%的工人在高温场所工作(锻造和铸造金属、玻璃、陶瓷和钢铁产品，消防等)。隔热纺织品可防止外部防护服与皮肤直接接触，改善人体自身水分的吸收和运输。隔热纺织品中的固相相变材料在相变过程中可吸收大量的能量，附加的铝层则用作辐射反射器。为通过抽象的形式研究纺织品的隔热效果，本文在进行试验测试的同时，建立了一个仿真模型，以实现在较短的时间内对不同层结构和纺织结构的适用性进行测试。采用法国Dassault Systèmes公司的仿真软件Abaqus/CAE创建仿真模型。

1 模拟模型/解决方法的建立

在仿真过程中，通过适当的假设对隔热纺织品的实际环境进行了简化。由对流造成的隔热纺织品的传热可忽略不计，因为在紧密贴身的防护服下，仅发生少量的空气流动。上层防护面料可减少传入的辐射热，因此理想状态下防护服的热辐射可忽略不计。由于辐射强度低，因此隔热内衣的热辐射也可忽略。

接下来，在适当的假设下，对隔热纺织品的子系统进行简化。假设纺织层为具有各向同性材料特性的固体材料组成。通过调整材料参数，可考虑纺织层内空气夹杂物及同一层内不同材料的使用。材料参数采用各织物层的材料参数的平均值。调整材料参数中的质量密度、导热系数和比热容来模拟织物模型的热传递。相变材料的能量吸收通过特定的熔化焓Δh=198kJ/kg加以探究。潜热蓄能器的比热容c=2.4 kJ/(kg·K)。

再下一步是组装子模型以生成整体模型。本文使用的是有限元方法。子模型通过无损热能传递连接。本文建立的模拟模型中，隔热纺织品的层结构示意图如图1所示。

图1 模拟模型中的层结构示意图

2 模拟评估

在79.2 ℃(图2)条件下，模拟所得的最终温度略高于在有接触热和无压力的情况下记录的隔热纺织品的实测温度。模拟温度最大值Tmax=72 ℃。原因之一是未对传出的热流进行建模。实际上，隔热纺织品被空气环绕，由温度差异引起的织物上的空气循环导致织物通过自然对流冷却。这种影响被测试环境中空气流动形式的强制对流所强化。

图2 仿真模拟的温度和试验测试的温度分布对比

仿真模型中的传热机理仅映射了纺织品层平面的仿真尺度上。这表明建模时，未映射纤维尺度上带有空气夹杂物的传热机理。模拟有限元素的特征元素长度l元素=0.884 mm，这是在足够精度的温度分布分辨率与合理的模拟计算时间之间折衷的结果。

在模型中模拟了真实纺织品的蜂窝结构。尽管两层材料的参数不同，但蜂窝结构的温度与相邻层的温度几乎没有差别。部分充气蜂窝结构的隔热效果在模拟中没有体现出来。此外，模拟中也没有考虑到随着表面增大而强化了的对流的影响。材料参数的某些不准确导致这样一个结果：尽管进行了同一数量级的简化，但模拟和测试得到的最终温度仍存在差异。

尽管仿真模型结构简单，但其测试数据与实际试验数据的对比表明模拟测试仍然是可行的。比较结果表明，模拟结果能够较好地反映热传递现象。借助仿真模型，可以初步高效、快速地对纺织品进行预估。此外，仿真模型中的各组件结构可实现材料参数或层结构的快速更改，这可用于优化隔热服性能。与试验相比，仿真模拟的优势在于计算出的数据不会受到相同误差源的影响。因此，可以将仿真模拟的环境参数设置为常数。实际试验测试易受到自然波动和不规则的影响，在模拟中可去掉测量值的异常值。模拟的误差来源于对纺织品层结构的建模。

模拟过程中，必须确保所用材料参数的准确性。如果材料参数已知，则可以进一步将其他物理效应(如辐射影响)集成到模拟中。建议通过简化和利用几何中的对称性来最小化所需的计算能力。作为HEATex研究项目一部分而开发的仿真模型已在德国亚琛工业大学纺织技术研究所初步应用，其隔热纺织品材料参数来自德国STS纺织品公司。

黄嘉磊 译 罗 艳 校