一种织物热湿传输的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种织物热湿传输的计算方法，包括求解相关方程获得单层织物以及多层织物中热湿传输的参数。所述计算方法中采用了偏微分方程，所述偏微分方程的计算过程通过计算机仿真进行，并根据定义的边界条件和初始条件，对离散后的方程进行求解。实施本发明专利技术的计算方法可以提供更快的计算速度，在保证结果准确性的同时，极大的提高了仿真的速度；提供了更直观的数据分析手段，为研究人员分析特定织物的热湿传递情况提供一种便利的工具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，更具体地说，涉及一种衣物和 纤维材料中热湿传输的计算方法。
技术介绍
服装材料中的热湿传输过程是热湿功能性纺织品研究的主要对象。织物的热湿性能在热湿传输过程中是动态表现的，通过研究此过程的机制和原理，可 以考察纺织品的热湿性能在传输过程中的变化趋势和影响因子，进而模拟服装材料在实际环境中的热湿分布和变化情况。纤维隔热材料的热湿传输具有相当复杂的机制。在上世纪30年代，亨利 研究出了一套由两个微分耦合控制方程组成的理论模型来描述纤维隔热材料 中的热湿相变关系。直到20世纪80年代，Ogniewwicz和Tien才取得了很大进展，他们提出 了一种基于热量通过传导和对流传输，冷凝物处于立摆状态的假设的模型。 Motakef将该模型进行了扩展，分析了非稳态的热湿传输过程，并将分析结果 与实验测量的结果进行了比较。在20世纪80年代，Farnworth最先提出了一种将热湿传输与吸附和凝聚 过程耦合的动态模型。该模型比较简化且具有一定的局限性。Downes通过实 验的方法发现羊毛吸附水蒸气的过程包括两个阶段。为了描述织物中两阶段吸收行为的这一复杂过程，Nordon提出了一种适 用于第一和第二个阶段的指数关系来描述纤维的吸湿率。上述织物热湿传输的计算方法具有结果不准确，且较少考虑环境因素的局 限性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有织物中热湿传输计算方法简单且 具有局限性的缺陷，提供。本专利技术提供了，所述织物为单层时，求解下 列方程获得单层织物热湿传输的参数，所述单层织物中位置为X的微分单元在 t时刻的液态水、气态水以及温度的动态分布-^^丄》')，n、 (1)r, 3x、 fir 乂H 1 。％))—^ir/+rlg (2)3/ r。 SvSx仏 (3)其中a. 。，~，~分别为所述微分单元中液态水、气态水和纱线的百分含量，且满足A+^=1 —￡/b. 公式l中^(。)为多孔渗水介质中水的传输量，根据毛细管现象和Darcy 定理，其计算公式为,、y cos^sin2 t^￡7C.公式3中^为布料的动态体积比热，计算公式为其中cvl， cvf， cva分别为微分单元中液态水、气态水和纱线的动态体积 比热；d. ^为蒸发/凝结量，其计算公式为rlg —c。)其中S'v为有效的蒸发或凝结表面积，C^(T)为外表局部空气中的饱和水蒸2;rr/ 2气浓度，Ca纱线表面的水蒸气浓度；S'v的计算公式为 其中Sv为纱线的面积/体积比值，计算公式为_Z为纱线的长度，为纱线的半径；e. r/为纱线内部沿着半径的方向水浓度，根据第二Fick定律纱线在圆柱 坐标系统中的水蒸气传输方程以及给定的初始和边界条件计算r 5rV匕/f. FR和FL分别为织物的微分单元中在左右两个方向上的热辐射量，在忽 略纱线与织物抵消的假设下，其计算公式为眠9xg. Kmix为多孔介质织物中的有效热传导率，其计算公式为:/。6《 其中Kfeb为通过试验得到的潮湿织物中的动态热传导率，K,为水的热传 导率。本专利技术还提供了另，所述织物为多层织物 时，求解下列方程获得多层织物热湿传输的参数，所述多层织物中每一层位置 为x的微分单元在t时刻的液态水、气态水以及温度的动态分布麵—丄4阔—lf/+Flg3)= 1 g广cv-=—Sx人d氛 w,其中a.对于有超过一种不同纱线构成的织物，使用含量百分比fti表示每种纱线ti， tn为每层中纱线的种类数；8为计算单位面积内具有不同毛细能力的纱线的液态水6 i专输；(D^))ti为纟i线t,中的液态水的扩散率，其计算公式为cos^sin2 a^s7C. ^^，0，^分别为平均体积比热、平均吸附热以及平均传导率；计算公式为:d. F/为动态吸湿率， /为平均纱线水含量，其计算公式分别为:— 加 / 、c^亚乂V 乂1//=1厶1 3c/4'w 、力le. ^为动态流体蒸发/凝结率，决定于液态水在织物中传输能力的分布其计算公式为—，mf. FR和FL分别为织物的微分单元中在左右两个方向上的热辐射量，在忽略纱线与织物抵消的假设下，其计算公式为3F,9实施本专利技术的织物热湿传输的计算方法，具有以下有益效果1、 由于本专利技术的目的是为研究人员研制新型的织物材料提供理论分析的工具，因此对仿真的精确性要求很高；为达到仿真结果的精确性要求，在实现时采用控制织物吸湿/放湿过程的方程和控制织物与外界对流的边界方程相结合， 一起控制织物在某一具体环境条件的热湿传递过程，保证了仿真结果的精确性；2、 可以提供更快的计算速度，对控制方程(偏微分方程)采用优化的离散化方法进行求解，保证结果准确性的同时，极大的提高了仿真的速度；3、 可以提供更直观的数据分析手段；在对仿真结果进行分析时，采用可视化处理和数值分析相结合的方法，为研究人员分析特定织物的热湿传递情况提供一种便利的工具。具体实施例方式考虑到之前的理论以及实验研究工作中，热湿传输模型并没有考虑到某些物理现象。而在本专利技术中，考虑通过改进的模型来对纤维隔热材料中的热湿传输进行数值模拟计算。为了解决这一模型，采用有限体积法来开发这一数学模型。数值计算结果表明，此方法可用于进行仿真设计。基于多相流扩散到织物中的物理机制，根据质量守恒和热量平衡来建立织物热湿传输的数学方程。假设和限定在本专利技术的方法中做了下列假设1) 织物在结构和热性质上为各向同性，即织物的每一部分作为一个单一的具有结构和热性质的部分；2) 考虑到体积较小，假定各相在纤维和空气间都存在局部热平衡；3) 由于吸湿而造成的体积变化被忽略不计；4) 织物从人体皮肤到外部环境的热湿传输是一维的，惯性和重力作用被忽略；5) 在液态水存在的情况下，水蒸气可以立即达到饱和状态。此外，还有一些假设条件，如辐射强度的分布角度为常量，而由纱线抵消的辐射可以被忽略；在纱线的表面以及周围的空气中，水蒸气的含量可以达到稳态；由于速度很慢的关系，液态水的惯性被忽略；强制对流入风袭的影响被忽略。单层材料考虑一块纺织品中的单层纺织布，其纺织品的内层临近人体，外层与外界环境接触。纺织品材料的内部结构假设为毛细管组成，这些毛细管是由纱线形成的纵横交错的孔道产生的。在毛细管现象下，液态水可以从含量高的地方向含量低的地方流动。因此，根据内部毛细管的多孔结构，织物内液态水和气态水的分布可以通过下列方程来表示其中，s'，s。，s,分别为微分单元中液态水、气态水和纤维的体积百分数。下列数学控制方程设立在上述假设的基础上。方程2和3分别表示的是水蒸气和液态水的质量守恒，方程4表示的是能量守恒。微分单元中的液态水和气态水动态分布可以用以下方程来描述<formula>formula see original document page 11</formula>(2)(3)微分单元中的温度动态分布数学方程为4所示方程中考虑了辐射，水蒸气的吸收和释放、蒸发和凝结等因素对温度的影响。<formula>formula see original document page 11</formula>方程3中的液体扩散率^)是根据毛细管理论的物理机制以及液体在多孔介质中传输的Darcy定律推导出来的。')可以被表示为、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种织物热湿传输的计算方法，其特征在于，所述织物为单层时，求解下列方程获得单层织物热湿传输的参数，所述单层织物中位置为ｘ的微分单元在ｔ时刻的液态水、气态水以及温度的动态分布：　＊＊＊　其中：　ａ．ε↓［ｌ］，ε↓［ａ］，ε ↓［ｆ］分别为所述微分单元中液态水、气态水和纱线的百分含量，且满足：ε↓［ｌ］＋ε↓［ａ］＝１－ε↓［ｆ］　ｂ．公式１中Ｄ↓［ｌ］（ε↓［ｌ］）为多孔渗水介质中水的传输量，根据毛细管现象和Ｄａｒｃｙ定理，其计算公式为：　Ｄ↓［ｌ ］（ε↓［ｌ］）＝γｃｏｓθｓｉｎ↑［２］αｄ↓［ｃ］ε↓［ｌ］↑［１／３］／２０ηε↑［１／３］　ｃ．公式３中ｃ↓［ｖ］为布料的动态体积比热，计算公式为：　ｃ↓［ｖ］＝ε↓［ｌ］ｃ↓［ｖｌ］＋ε↓［ｆ］ｃ↓［ｖｆ］＋ε↓［ａ］ ｃ↓［ｖａ］　其中Ｃ↓［ｖｌ］，Ｃ↓［ｖｆ］，Ｃ↓［ｖａ］分别为微分单元中液态水、气态水和纱线的动态体积比热；　ｄ．Γ↓［ｌｇ］为蒸发／凝结量，其计算公式为：　Γ↓［ｌｇ］＝Ｓ′↓［ｖ］ｈ↓［ｌｇ］（Ｃ↑［＊］（Ｔ）－Ｃ↓ ［ａ］）　其中Ｓ’↓［ｖ］为有效的蒸发或凝结表面积，Ｃ↑［＊］（Ｔ）为外表局部空气中的饱和水蒸气浓度，Ｃ↓［ａ］纱线表面的水蒸气浓度；Ｓ’↓［ｖ］的计算公式为：Ｓ’↓［ｖ］＝ε↓［ａ］／εε↓［ｆ］Ｓ↓［ｖ］　其中Ｓ↓［ｖ］为纱 线的面积／体积比值，计算公式为：Ｓ↓［ｖ］＝２πｒｌ／πｒ↑［２］ｌ＝２／ｒ　ｌ为纱线的长度，ｒ为纱线的半径；　ｅ．Γ↓［ｆ］为纱线内部沿着半径的方向水浓度，根据第二Ｆｉｃｋ定律纱线在圆柱坐标系统中的水蒸气传输方程以及给定的初始和边界 条件计算：　＊＊＊　ｆ．Ｆ↓［Ｒ］和Ｆ↓［Ｌ］分别为织物的微分单元中在左右两个方向上的热辐射量，在忽略纱线与织物抵消的假设下，其计算公式为：　＊Ｆ↓［Ｒ］／＊ｘ＝－βＦ↓［Ｒ］＋βσＴ↑［４］　＊Ｆ↓［Ｌ］／＊ｘ＝β Ｆ↓［Ｌ］－βσＴ↑［４］　ｇ．Ｋ↓［ｍｉｘ］为多孔介质织物中的有效热传导率，其计算公式为：　Ｋ↓［ｍｉｘ］＝ε↓［ｌ］Ｋ↓［ｌ］＋（ε↓［ａ］＋ε↓［ｆ］）Ｋ↓［ｆａｂ］　其中Ｋ↓［ｆａｂ］为通过试验得到的潮湿织物中的动 态热传导率，Ｋ↓［ｌ］为水的热传导率。...

【技术特征摘要】
US 2008-8-18 61/136,1871、一种织物热湿传输的计算方法，其特征在于，所述织物为单层时，求解下列方程获得单层织物热湿传输的参数，所述单层织物中位置为x的微分单元在t时刻的液态水、气态水以及温度的动态分布<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&rho;</mi><mi>l</mi> </msub> <msub><mi>&epsiv;</mi><mi>l</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>&tau;</mi><mi>l</mi> </msub></mfrac><mfrac> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>D</mi><mi>l</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>l</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mfrac><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mi>l</mi></msub><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>l</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>x</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>&xi;</mi> <mn>2</mn></msub><msub> <mi>&Gamma;</mi> <mi>f</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mi>&Gamma;</mi> <mi>lg</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id=math0002 num=0002 ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>C</mi><mi>a</mi> </msub> <msub><mi>&epsiv;</mi><mi>a</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msub><mi>&tau;</mi><mi>a</mi> </msub></mfrac><mfrac> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>D</mi><mi>a</mi> </msub> <mfrac><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>a</mi></msub><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>a</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mrow><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>x</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>&xi;</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>&Gamma;</mi> <mi>f</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>&Gamma;</mi> <mi>lg</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id=math0003 num=0003 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>c</mi> <mi>v</mi></msub><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>T</mi> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>t</mi> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mo>&PartialD;</mo> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>K</mi><mi>mix</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo> </mrow> <mfrac><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>T</mi></mrow><mrow> <mo>&PartialD;</mo> <mi>x</mi></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>R</mi></msub> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mo>&PartialD;</mo><msub> <mi>F</mi> <mi>L</mi></msub> </mrow> <mrow><mo>&PartialD;</mo><mi>x</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>f</mi></msub><msub> <mi>&Gamma;</mi> <mi>f</mi></msub...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅，毛爱华，王若梅，罗笑南，王众，
申请(专利权)人：香港纺织及成衣研发中心，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]