摘 要：為探究拉毛針織面料的毛羽對(duì)面料熱傳遞性能的影響規(guī)律，提出了一種預(yù)測(cè)拉毛針織面料熱傳遞性能的方法，建立了針織線圈-毛羽層模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)拉毛針織面料的熱傳遞性能進(jìn)行有限元仿真分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的有效性。首先對(duì)實(shí)驗(yàn)面料進(jìn)行測(cè)量，得到織物的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用SolidWorks專業(yè)建模軟件建立織物的針織線圈結(jié)構(gòu)，利用ANSYS DesignModeler建立織物的毛羽層；然后借助有限元分析軟件ANSYS Fluent，根據(jù)模擬環(huán)境設(shè)置邊界條件，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到該模型的溫度分布云圖；最后將仿真模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：拉毛針織面料的模擬熱阻值與實(shí)驗(yàn)熱阻值相關(guān)系數(shù)接近0.993，最大差異小于17.7%，表明該有限元模型具有一定的可行性；拉毛針織面料的表面毛羽密度越高，織物的熱阻值越大，但是毛羽密度達(dá)到一定范圍后，織物熱阻值發(fā)生較小變化。

關(guān)鍵詞：熱傳遞；毛羽；拉毛針織面料；有限元仿真；線圈模型

中圖分類號(hào)：TS181.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）08-0100-08

收稿日期：20231129

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20240320

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51903034）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2232022G-01）；上海松江區(qū)科技攻關(guān)揭榜掛帥項(xiàng)目（21SJJBGS30）

作者簡(jiǎn)介：劉薇（1999— ），女，江西吉安人，碩士研究生，主要從事紡織材料及紡織品設(shè)計(jì)方面的研究。

通信作者：馬顏雪，E-mail：yxma@dhu.edu.cn

拉毛針織面料是指通過拉毛處理工藝使其表面呈現(xiàn)出豐富毛羽質(zhì)感的一類針織面料^［1］。通過調(diào)整織物的后處理工藝，這層毛羽不僅可以改變面料的外觀風(fēng)格，增加織物的時(shí)尚感，而且能影響織物的熱傳遞性能^［2-3］。因此，相關(guān)面料生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)開發(fā)了不同拉毛程度的針織面料，以滿足消費(fèi)人群不同的時(shí)尚需求與功能性需求。然而，目前關(guān)于毛羽與拉毛針織面料熱傳遞性能之間的影響關(guān)系缺乏充分的理論依據(jù)。盡管傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法可以提供一些數(shù)據(jù)，但由于其局限性，難以全面準(zhǔn)確地揭示這一聯(lián)系。因此，有必要通過理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)毛羽與拉毛針織面料的熱傳遞性能進(jìn)行研究，以指導(dǎo)拉毛針織面料的設(shè)計(jì)開發(fā)。

近些年來，有限元分析法已廣泛應(yīng)用于熱量傳遞研究中。有限元分析方法可以將復(fù)雜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為簡(jiǎn)單個(gè)體，假定計(jì)算條件，輸出高精度計(jì)算結(jié)果，并且能將熱傳遞過程進(jìn)行可視化表達(dá)，得到相關(guān)熱傳遞規(guī)律。目前已涌現(xiàn)出大量關(guān)于織物熱傳遞的研究成果。孫玉釵等^［4］將織物視為纖維與空氣均勻混合的整體，通過Marc軟件模擬織物的熱傳導(dǎo)及熱對(duì)流，描述了織物的瞬態(tài)傳熱過程。吳茜^［5］對(duì)不同組織結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)織物幾何模型進(jìn)行了熱傳遞模擬，分析了織物緊度、組織結(jié)構(gòu)、厚度等因素對(duì)織物熱傳遞過程的影響。孫亞博等^［6］考慮織物周圍的靜止空氣影響，構(gòu)建了針織線圈-空氣幾何裝配模型，并通過ABAQUS模擬環(huán)境-織物-人體一維傳熱過程，提供了一種預(yù)測(cè)不同材料針織物導(dǎo)熱性能的方法。Zheng等^［7］分別構(gòu)建5/3緯面緞紋、雙層組織、雙斜紋織物模型，借助有限元手段分析了不同組織結(jié)構(gòu)玻纖織物的傳熱過程。Choudhary等^［8］使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）方法模擬了人體穿著通風(fēng)冷卻服的效果，分析了服裝-人體之間微氣候的空氣流動(dòng)與溫度分布，并進(jìn)一步探究了人體與環(huán)境之間的顯熱傳遞。

織物的結(jié)構(gòu)對(duì)其熱傳遞性能具有顯著影響^［9］，這一觀點(diǎn)已得到了相關(guān)有限元研究驗(yàn)證^［10-11］。然而，現(xiàn)有的研究主要關(guān)注織物的組織結(jié)構(gòu)，而對(duì)于織物的表層結(jié)構(gòu)毛羽的關(guān)注相對(duì)較少。因此，本文選取經(jīng)過拉毛處理的針織面料作為研究對(duì)象，在厚度方向上將織物細(xì)分為毛羽與針織線圈兩部分，提出了一種針織線圈-毛羽層熱學(xué)模型。本文借助ANSYS Fluent軟件，利用該模型進(jìn)行拉毛針織面料熱傳遞性能研究，預(yù)測(cè)不同拉毛程度的針織面料熱傳遞性能，為拉毛針織面料的熱傳遞性能研究提供理論借鑒，同時(shí)為不同拉毛程度的針織面料開發(fā)設(shè)計(jì)工作提供理論參考。

1 針織線圈-毛羽層模型的建立

1.1 試樣選取

本文選擇40 tex/2 100%羊毛的紗線，以秋冬季毛衫最常見的緯平針組織為織造結(jié)構(gòu)進(jìn)行上機(jī)編織，并在下機(jī)后進(jìn)行不同程度的拉毛處理，形成具

有不同毛羽程度的拉毛針織面料。如圖1所示，其中圖1（a）—（d）分別為1#―4#不同拉毛程度的毛針織面料對(duì)折后的圖像。

從圖1可看出，織物表面具有不同密度的毛羽，其中1#―4#樣品的拉毛程度逐漸增加，毛羽密度變高，織物厚度也相應(yīng)提高。具體樣品物理參數(shù)見表1。

樣品的厚度遵循國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3820—1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》的要求。借助YG141D-II織物厚度儀進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試時(shí)選擇壓腳面積為2000 mm²，砝碼為200 cN。每個(gè)樣品均進(jìn)行10次厚度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果取平均值。樣品的透氣性利用YG461E透氣性測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定。在測(cè)試樣品的透氣性時(shí)，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，選擇試樣面積20 cm²以及試樣上下壓差100 Pa。每個(gè)樣品進(jìn)行10次測(cè)試，取平均值為最終測(cè)試結(jié)果。

1.2 模型構(gòu)建

本文將實(shí)驗(yàn)選用的拉毛針織面料分為3部分：正面的毛羽層、反面毛羽層和中間的針織線圈層。其中1#試樣毛羽最少，4#試樣毛羽最多。在有限元仿真分析中，毛羽結(jié)構(gòu)可通過算法插入模型實(shí)現(xiàn)幾何建模^［12］；或者將毛羽所在區(qū)域視為多孔結(jié)構(gòu)，用參數(shù)定義毛羽的分布^［13］。本文選擇后者進(jìn)行研究。因此，本文基于無毛羽光滑的緯平針織物進(jìn)行模型構(gòu)建工作，并進(jìn)一步分成針織線圈和毛羽層兩部分內(nèi)容展開。

拉毛針織面料由連續(xù)的針織線圈串套而成。根據(jù)Pierce二維線圈理論，假設(shè)紗線在理想狀態(tài)下，橫截面呈均勻一致的圓形，織物處于完全松弛狀態(tài)，針編弧與沉降弧分別用圓柱與半圓柱環(huán)來表示^［14］。Pierce二維線圈模型理論示意如圖2所示， EF為針編弧、 CD和 GH為沉降弧，線段DE、線段GF為圈干，A表示圈距，B表示圈高，d為紗線直徑，O₂D=O₃G=1.5d，A=4d^［15］。在建模軟件SolidWorks中，首先根據(jù)紗線直徑確定平面的線圈中心線，如圖3所示。再通過軟件的投影曲線功能，設(shè)置織物彎曲厚度，得到線圈彎曲路徑，然后沿該路徑掃描紗線圓形截面生成針織線圈模型，結(jié)果如圖4所示。在織物的熱傳遞過程中，熱量會(huì)沿紗線路徑進(jìn)行傳遞。為消除這部分影響，本文采用重復(fù)4個(gè)線圈單元的織物模型進(jìn)行研究分析。

將建立好的線圈模型導(dǎo)入ANSYS DesignModeler構(gòu)建毛羽層，并在導(dǎo)入的線圈模型基礎(chǔ)上建立線圈外部的流場(chǎng)區(qū)（即毛羽層），構(gòu)建包含針織線圈和毛羽層的二元結(jié)構(gòu)熱學(xué)模型。根據(jù)無毛羽織物與其他不同毛羽程度織物的厚度差異，利用該厚度差異值設(shè)定模型毛羽層厚度值。針織線圈-毛羽層模型的結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，其中：毛羽層A指的是織物反面靠近皮膚一側(cè)的毛羽層，毛羽層B指的是織物正面靠近外界環(huán)境一側(cè)的毛羽層。

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元分析至關(guān)重要的一步，它直接影響后續(xù)迭代運(yùn)算的準(zhǔn)確性。將組合模型導(dǎo)入ANSYS Mesh，設(shè)置求解器類型為CFD，指定網(wǎng)格劃分大小為0.2 mm。不同毛羽程度的模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如表2所示，經(jīng)過網(wǎng)格劃分處理的模型如圖6所示。模型屈曲程度高，不規(guī)則區(qū)域較多，因此劃分網(wǎng)格后需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查，對(duì)有問題的網(wǎng)格進(jìn)一步修復(fù)。劃分后的網(wǎng)格質(zhì)量均在0.82以上，說明該模型的網(wǎng)格質(zhì)量較好。

1.4 求解器設(shè)置

在本文中，整體模型內(nèi)部空氣的流動(dòng)速度較低，因此啟用層流模型進(jìn)行分析，并設(shè)置空氣為不可壓縮的牛頓流體^［16］。針織線圈層設(shè)置為固體域，區(qū)域材料設(shè)為羊毛紗線，即為羊毛纖維與空氣的混合體。毛羽層A、B內(nèi)部毛羽雜亂分布，可視為均勻介質(zhì)分布均勻且具有多孔結(jié)構(gòu)的流體域。具體的材料參數(shù)設(shè)置如表3所示。

當(dāng)毛羽層A、B為空氣流速較低的多孔區(qū)域時(shí)，其壓降ΔP與滲透性α之間的關(guān)系可用達(dá)西定律表達(dá)^［17］：

式中：μ為空氣動(dòng)力黏度，N·s/m²；u為空氣速度，m/s；1/α為粘滯阻力系數(shù)，1/m²。根據(jù)文獻(xiàn)［18］，滲透性α的計(jì)算公式為：

α=KDμ（2）

式中：K為織物透氣性，m/s；D為織物厚度，m；μ為空氣動(dòng)力黏度，N·s/m²。

孔隙率（Φ）是表征多孔區(qū)域的重要參數(shù)^［19］，其計(jì)算方法如下：

式中：ρ_織為織物密度，是纖維材料與空氣的混合密度，單位為kg/m³；ρ_纖為纖維材料密度，kg/m³。

式中：M_織為織物質(zhì)量，g；S為織物面積，cm²；D為織物厚度，cm。

不同樣品的模型毛羽層區(qū)域參數(shù)設(shè)置見表4。

本文涉及的環(huán)境溫度與人體表面溫度溫差不大，因此本次模擬只考慮熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流的耦合傳熱，并進(jìn)行以下設(shè)定：將流體域的邊界分成top、bottom、wall三種類型（見圖7），在top上設(shè)定外部環(huán)境的溫度20 ℃和自然對(duì)流傳熱系數(shù)4.0 W/（m²·℃）；bottom貼近人體皮膚，溫度設(shè)置為35 ℃；wall為壁面，不進(jìn)行熱量交換。最后，設(shè)置求解算法以及監(jiān)視器參數(shù)，完成初始化并設(shè)置迭代運(yùn)算次數(shù)，進(jìn)行運(yùn)算。

2 結(jié)果分析與驗(yàn)證

2.1 模擬分析

針織線圈-毛羽層模型紗線部分的溫度分布云圖如圖8所示。從圖8中可以看出，織物內(nèi)部的熱量不僅沿厚度方向傳遞，還同時(shí)沿線圈排列方向進(jìn)行流動(dòng)，并且線圈交疊處也不影響織物內(nèi)部的熱傳遞。由此可見，該模型有利于分析織物內(nèi)部熱傳遞機(jī)理。

不同毛羽程度的針織線圈-毛羽層模型在X方向1/2處的溫度云圖如圖9所示。從圖9中可以看出，在X方向上，當(dāng)線圈結(jié)構(gòu)一致時(shí)，織物拉毛程度越高，模型的毛羽層越厚。模型左側(cè)為人體皮膚，其溫度值為35 ℃，右側(cè)為外部環(huán)境，T_top為模型經(jīng)過迭代運(yùn)算得到的上表面溫度值。當(dāng)邊界條件一致時(shí)，由于不同樣品毛羽層的差異影響，其模型進(jìn)行迭代運(yùn)算后得到的上表面溫度值也存在差異。1#—4#對(duì)應(yīng)的模型上表面溫度隨拉毛程度的增加遞減，而模型的上下表面溫度差值隨之遞增。其中，1#模型的上表面溫度最高，為29.7 ℃，4#模型的上表面溫度最低，為28.7 ℃。模型上下表面溫度差值越小，說明模型熱傳遞性能越好。由此可見，1#模型對(duì)應(yīng)的織物熱傳遞性能最好，4#模型對(duì)應(yīng)的織物熱傳遞性能最差。相反地，4#模型對(duì)應(yīng)的織物保暖性能最好。除此之外，通過比較分析發(fā)現(xiàn)，1#、2#、3#模型的上表面溫度值存在明顯差異，而3#和4#模型的上表面溫度值差異不大。由此可見，在一定范圍內(nèi)，毛羽程度的變化對(duì)織物的熱傳遞性能具有顯著影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 11048—2018《紡織品 生理舒適性 穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定（蒸發(fā)熱板法）》，使用熱成像儀（型號(hào)：FLIR E6xt）和熱流儀（型號(hào)：HFB-1）搭建測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)裝置如圖10所示。實(shí)驗(yàn)在溫度為（20±2）℃、濕度為（65±5）%，空氣風(fēng)速低于0.1 m/s的環(huán)境中展開。實(shí)驗(yàn)前，將樣品在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中放置12 h以上，進(jìn)行預(yù)處理達(dá)到溫度和濕度的平衡。熱流儀設(shè)置輸出溫度為35 ℃，記為t₀，如圖11（a）所示。待熱流儀達(dá)到輸出溫度時(shí)，將樣品平鋪放置在熱流儀上，此時(shí)正式進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段。熱流儀可監(jiān)測(cè)通過織物的熱流密度，記為q。待q穩(wěn)定后，利用熱成像儀測(cè)得此時(shí)織物上表面溫度值，記為t₁，如圖11（b）所示?？椢锏臒嶙杩赏ㄟ^式（5）計(jì)算得到：

式中：q為熱流密度，W/m；t₀為熱流儀設(shè)定溫度，℃；t₁為測(cè)試時(shí)熱流穩(wěn)定后的布樣表面溫度，℃。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)將試樣的熱流密度、上表面溫度，以及熱阻作為測(cè)試指標(biāo)，每個(gè)試樣測(cè)試3次并計(jì)算平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。模型經(jīng)過迭代運(yùn)算后同樣可得以上測(cè)試指標(biāo)，不同樣品的模擬結(jié)果如表6所示。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比分析

樣品熱傳遞性能的實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對(duì)比如圖12所示，包括熱流密度、織物上表面溫度以及織物熱阻。其中，熱流密度模擬與實(shí)驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)為0.958，最大差異小于15.5%；而織物上表面溫度和熱阻的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.992和0.993，最大差異分別小于3.0%和17.7%。由此可見，3個(gè)指標(biāo)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，模型具有有效性。

此外，由圖12可以看出，1#樣品的熱流密度為83.62 W/m²，熱阻為 0.094 （m²·℃）/W。由于拉毛程度提升，織物毛羽密度增加，所以2#樣品和3#樣品的熱流密度分別下降了7.5%和10.4%，熱阻分別上升了21.3%和34.7%。這說明提高拉毛程度、增加毛羽密度能夠有效提升織物保溫能力。然而，隨著毛羽密度的進(jìn)一步提升，4#樣品的熱流密度相較于3#織物僅下降0.5%，熱阻只增長(zhǎng)了8.8%。由此可見，在超過一定范圍后，繼續(xù)提高拉毛程度、增加毛羽密度對(duì)提升織物保溫能力的效果有限。

3 結(jié)論

本文借助專業(yè)建模軟件SolidWorks和ANSYS DesignModeler分別建立了拉毛針織物的線圈層和毛羽層，構(gòu)建出針織線圈-毛羽層模型，并使用有限元軟件ANSYS Fluent，結(jié)合實(shí)際定義邊界條件，基于能量守恒定律，利用有限元法對(duì)模型進(jìn)行迭代運(yùn)算，預(yù)測(cè)不同毛羽密度的拉毛針織面料的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱性能，計(jì)算其熱阻值，并分析傳熱穩(wěn)定后織物內(nèi)外的溫度分布，主要結(jié)論如下：

a）經(jīng)過比較實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和模擬數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)樣品熱阻的模擬值與實(shí)驗(yàn)值最大差異小于17.7%，熱流密度的最大差異小于15.5%，而樣品上表面溫度的最大差異小于3.0%，由此表明模型有效。

b）借助模型對(duì)拉毛針織面料進(jìn)行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在拉毛針織面料內(nèi)部，熱流不僅沿織物厚度方向傳遞，同時(shí)還會(huì)沿線圈橫列方向進(jìn)行傳遞；并且在一定范圍內(nèi)，毛羽密度的變化是影響織物熱傳遞性能的重要因素。

本文構(gòu)建了針織線圈-毛羽層模型，揭示了拉毛針織面料的熱傳遞機(jī)理，為設(shè)計(jì)開發(fā)出具有不同熱傳遞性能的拉毛針織面料提供了理論參考，同時(shí)也為拉毛針織面料進(jìn)一步的應(yīng)用環(huán)境仿真研究做理論借鑒。

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Finite element simulation of heat transfer properties of brushed knitted fabrics

LIU Wei^a， LEI Min^a， SHEN Hua， LI Yuling， MA Yanxue

（a. College of Textiles; b. Key Laboratory of Textile Science amp; Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201600， China）

Abstract： "The surface hairiness of raised yarn knitted fabrics can not only affect the appearance style and fashion sense of the fabric， but also affect the heat transfer performance of the fabric. Therefore， relevant fabric manufacturers have designed and developed knitted fabrics with different degrees of raising yarn to meet the different fashion and functional needs of consumers. However， there is currently a lack of sufficient theoretical basis to elaborate on the relationship between hairiness and the heat transfer performance of raised yarn knitted fabrics. At the same time， traditional experimental testing methods have the disadvantages of being time-consuming， laborious， and requiring a large number of samples， which is difficult to fully and accurately explain this relationship. Therefore， it is necessary to use new methods to study the heat transfer performance of hairiness and raised yarn knitted fabrics， so as to guide the design and development of raised yarn knitted fabrics.

To explore the influence of hairiness on the heat transfer performance of raised yarn knitted fabrics， a method was proposed to predict the heat transfer performance of raised yarn knitted fabrics. A knitted loop-hairiness layer model was established， and based on this， finite element simulation analysis was carried out on the heat transfer performance of raised yarn knitted fabrics. The effectiveness of the model was verified through experimental tests. Firstly， four knitted fabrics with different degrees of raising yarn were measured to obtain the geometric structural parameters of the fabrics. In SolidWorks professional modeling software， the knitted loop structure of the fabric was established based on Pierce's two-dimensional loop model theory. On the basis of this structure， the hairiness layer of the fabric was established by using ANSYS DesignModeler. Then， the models of the four fabrics were meshed， and finite element analysis software ANSYS Fluent was used to set boundary conditions according to the simulation environment， and performed iterative calculations to obtain the temperature distribution cloud images of the four fabric models. Finally， the knitted fabrics with different degrees of raising yarn were tested through experiments， and the simulation results with the experimental test results were compared to verify the effectiveness of the model.

The research results show that the correlation coefficient between the simulated thermal resistance value and the experimental thermal resistance value of the raised yarn knitted fabric is close to 0.993， and the maximum difference is less than 17.7%， indicating that the finite element model has certain feasibility. The higher the surface hairiness density of the raised yarn knitted fabric， the greater the thermal resistance of the fabric. However， when the hairiness density reaches a certain range， the thermal resistance of the fabric changes slightly.

Keywords： heat transfer; hair; brushed knitted fabrics; finite element simulation; loop model