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

亞琛工業(yè)大學(xué) 紡織技術(shù)研究所(德國(guó))

ZIM項(xiàng)目HEATex(編號(hào)：ZF4018754CJ6)旨在開(kāi)發(fā)一種具有三維間隔編織和相變性能的隔熱紡織品。采用這種紡織品可制作高溫環(huán)境下工人穿著的內(nèi)衣。在德國(guó)，大約有10%的工人在高溫場(chǎng)所工作(鍛造和鑄造金屬、玻璃、陶瓷和鋼鐵產(chǎn)品，消防等)。隔熱紡織品可防止外部防護(hù)服與皮膚直接接觸，改善人體自身水分的吸收和運(yùn)輸。隔熱紡織品中的固相相變材料在相變過(guò)程中可吸收大量的能量，附加的鋁層則用作輻射反射器。為通過(guò)抽象的形式研究紡織品的隔熱效果，本文在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的同時(shí)，建立了一個(gè)仿真模型，以實(shí)現(xiàn)在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)不同層結(jié)構(gòu)和紡織結(jié)構(gòu)的適用性進(jìn)行測(cè)試。采用法國(guó)Dassault Systèmes公司的仿真軟件Abaqus/CAE創(chuàng)建仿真模型。

1 模擬模型/解決方法的建立

在仿真過(guò)程中，通過(guò)適當(dāng)?shù)募僭O(shè)對(duì)隔熱紡織品的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)化。由對(duì)流造成的隔熱紡織品的傳熱可忽略不計(jì)，因?yàn)樵诰o密貼身的防護(hù)服下，僅發(fā)生少量的空氣流動(dòng)。上層防護(hù)面料可減少傳入的輻射熱，因此理想狀態(tài)下防護(hù)服的熱輻射可忽略不計(jì)。由于輻射強(qiáng)度低，因此隔熱內(nèi)衣的熱輻射也可忽略。

接下來(lái)，在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)下，對(duì)隔熱紡織品的子系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。假設(shè)紡織層為具有各向同性材料特性的固體材料組成。通過(guò)調(diào)整材料參數(shù)，可考慮紡織層內(nèi)空氣夾雜物及同一層內(nèi)不同材料的使用。材料參數(shù)采用各織物層的材料參數(shù)的平均值。調(diào)整材料參數(shù)中的質(zhì)量密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容來(lái)模擬織物模型的熱傳遞。相變材料的能量吸收通過(guò)特定的熔化焓Δh=198kJ/kg加以探究。潛熱蓄能器的比熱容c=2.4 kJ/(kg·K)。

再下一步是組裝子模型以生成整體模型。本文使用的是有限元方法。子模型通過(guò)無(wú)損熱能傳遞連接。本文建立的模擬模型中，隔熱紡織品的層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 模擬模型中的層結(jié)構(gòu)示意圖

2 模擬評(píng)估

在79.2 ℃(圖2)條件下，模擬所得的最終溫度略高于在有接觸熱和無(wú)壓力的情況下記錄的隔熱紡織品的實(shí)測(cè)溫度。模擬溫度最大值Tmax=72 ℃。原因之一是未對(duì)傳出的熱流進(jìn)行建模。實(shí)際上，隔熱紡織品被空氣環(huán)繞，由溫度差異引起的織物上的空氣循環(huán)導(dǎo)致織物通過(guò)自然對(duì)流冷卻。這種影響被測(cè)試環(huán)境中空氣流動(dòng)形式的強(qiáng)制對(duì)流所強(qiáng)化。

圖2 仿真模擬的溫度和試驗(yàn)測(cè)試的溫度分布對(duì)比

仿真模型中的傳熱機(jī)理僅映射了紡織品層平面的仿真尺度上。這表明建模時(shí)，未映射纖維尺度上帶有空氣夾雜物的傳熱機(jī)理。模擬有限元素的特征元素長(zhǎng)度l元素=0.884 mm，這是在足夠精度的溫度分布分辨率與合理的模擬計(jì)算時(shí)間之間折衷的結(jié)果。

在模型中模擬了真實(shí)紡織品的蜂窩結(jié)構(gòu)。盡管兩層材料的參數(shù)不同，但蜂窩結(jié)構(gòu)的溫度與相鄰層的溫度幾乎沒(méi)有差別。部分充氣蜂窩結(jié)構(gòu)的隔熱效果在模擬中沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。此外，模擬中也沒(méi)有考慮到隨著表面增大而強(qiáng)化了的對(duì)流的影響。材料參數(shù)的某些不準(zhǔn)確導(dǎo)致這樣一個(gè)結(jié)果：盡管進(jìn)行了同一數(shù)量級(jí)的簡(jiǎn)化，但模擬和測(cè)試得到的最終溫度仍存在差異。

盡管仿真模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比表明模擬測(cè)試仍然是可行的。比較結(jié)果表明，模擬結(jié)果能夠較好地反映熱傳遞現(xiàn)象。借助仿真模型，可以初步高效、快速地對(duì)紡織品進(jìn)行預(yù)估。此外，仿真模型中的各組件結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)材料參數(shù)或?qū)咏Y(jié)構(gòu)的快速更改，這可用于優(yōu)化隔熱服性能。與試驗(yàn)相比，仿真模擬的優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算出的數(shù)據(jù)不會(huì)受到相同誤差源的影響。因此，可以將仿真模擬的環(huán)境參數(shù)設(shè)置為常數(shù)。實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試易受到自然波動(dòng)和不規(guī)則的影響，在模擬中可去掉測(cè)量值的異常值。模擬的誤差來(lái)源于對(duì)紡織品層結(jié)構(gòu)的建模。

模擬過(guò)程中，必須確保所用材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。如果材料參數(shù)已知，則可以進(jìn)一步將其他物理效應(yīng)(如輻射影響)集成到模擬中。建議通過(guò)簡(jiǎn)化和利用幾何中的對(duì)稱性來(lái)最小化所需的計(jì)算能力。作為HEATex研究項(xiàng)目一部分而開(kāi)發(fā)的仿真模型已在德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所初步應(yīng)用，其隔熱紡織品材料參數(shù)來(lái)自德國(guó)STS紡織品公司。

黃嘉磊 譯 羅 艷 校