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1、第2 6 卷第3 期 2 0 0 5 年6 月 纺织学报 J o u m a lo f7 r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 3 J u n ，2 0 0 5 服装工效系统热湿耦合的非线性特性 何超英1 ，李栋高2 ( 1 苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州2 1 5 0 0 6 ；2 苏州大学材料工程学院，江苏苏州2 1 5 0 2 1 ) 摘要将热力学方法运用于人体服装一环境工效系统的研究，运用非平衡热力学中力与流的关系来描述系统中 服装传热与传湿之间的耦合，并通过出汗暖体躯干的实验测试获得与热湿耦合有关的数据，所得到的规律表明该 热湿耦
2、合有非线性关系。实验数据说明服装的热湿耦合是不可忽略的。 关键词传热；传湿；热湿耦合；非线性 中图分类号：偈9 4 1 1文献标识码：A文章编号：0 2 5 3 9 7 2 “2 0 0 5 ) 0 3 0 0 4 8 0 4 N o I l l i n e a rp r o p e r 够o nc 伽p I e dh e a ta n dm o i s t I l r et 均m I f e r i nc l o t h j n ge r g o n 佃f l i c ss y s t e m H EC h a o y i n 9 1 ，L ID o n 争g a 0 2 ( 1 s c 幻
3、o Z 矿P 7 咿如口fS c 据，黜死如加冶y ，S 0 0 c o l ，研龇r s 妙，S L 篮幻“，泐垮u 2 1 5 0 0 6 ，既讥口； 2 蹴o o Z 矿讹把蒯E 嚼袱 n g ，s o D c 幻t I 咖洒玷蚵，S m D n ，胁学 2 1 5 0 2 1 ，C 讹) A b s t m c t 1 1 1 e 1 1 e 瑚o d y n a m j cm e h o dw a sa p p l j e dt oe r g o n o m i c ss y s t e mo fh 啪锄b o d y - c l o t h i n g - e n v i 册n m
4、 e n n ec o u p l e dh 髓t a n dm o i s t u r et r a n s f e ri nc l o t h i n gw a sd e s c r i b e db yt 1 1 er e l a t i o nb e t w e e nt l l e 珊o d y n 锄i c ss t r e r g t l la n dt I I e 珊o d y n 啪i c 8n o wi nn o n e q u i l i b r i u mt h e n n o d y n a m i c ss y s t e m S w e a t i n gm a
5、n i k i ne q u i p m e n tw 鹊u s e dt oo b t a i nr I o n l i n e 盯r e l a t i o no fc o u p l e de f f e c t T h ed a t a o fm e a s u r e m e n te x p l a i n 山a tt h ec o u p l e de a e c ti nc l o t I l i n gs h o u l dn o tb eI l e d e c t e d K e yw o r d sh e a tt r a n s f e r ；m o i s t u r
6、 es p r e a d ；c o u p l e dh e a ta J l dm o i s t u r et r a I l 8 f e r ；r l o n l i n e 盯 1 服装工效系统的热力学特性 1 1 服装热湿耦合特性 在服装热、湿舒适性研究中，借助暖体假人或暖 体躯干这样的工效模型来研究服装及面料的热、湿 性能是一种实用可行的研究手段。舒适性研究是 人类工效学研究的一个新领域，服装的散热散湿性 能直接影响着装的舒适性，故可将人体、服装、环境 这一工效系统视为一个热力学系统。从热力学的角 度来考虑，人体的热湿交换有典型的非线性特征，那 么人体工效系统中服装传热传湿间的耦
7、合是否也是 非线性呢? 首先可定性地分析服装热湿耦合过程， 服装面料是一种多孔材料，多孔材料的框架是柔性 纤维材料，纱线之间和纤维之间存有空气，服装面料 含有空气的多少常用孔隙率e 来表示，纺织面料的 孔隙率e 约为O 6 O 9 。服装面料的传热、传湿有 其特殊性，即纤维材料有吸湿和放湿的能力，纱线间 以及纤维间的孔隙能传递液态水和气态水，若在传 湿的过程中伴有相变，空气就会吸放相当的热量，这 是一种形式的热湿耦合，因为相变时可以无温差。 空气中饱和水蒸气压力与温度之间的关系是非线性 的，这就决定了有相变的传热、传湿之间的耦合是非 线性的，人体有显汗时服装的传热、传湿就是如此， 非感知排汗时
8、服装传热、传湿间的耦合也与此相似。 在无相变的传湿过程中，由于水分子是极性分子，且 空气与水蒸气不能以任何比例混合共存，这使得热 湿之间的耦合趋向非线性。为揭示服装传热传湿及 其耦合的内在联系，可采用实验的方法对系统进行 定量研究旧。 1 2 服装热湿耦合的线性描述 在对热力系统进行研究时，平衡态热力学方法 是一种简单的热力学方法。当热力学系统处于平衡 时，依据守恒原理可推导出有关平衡系统和可逆过 程中状态参数之间的关系。系统平衡时，系统的热 力学力和热力学流都为零，系统处于宏观静态。对 于热力过程的描述，则要引入准静态过程和可逆过 程的模型，准静态模型适用于以气体为工质的热力 系统，这是因为
9、气体工质的弛豫时间很短，由气体工 作者简介：何超英( 1 9 5 8 一) ，男，汉，副教授。主要研究方向为热能空调理论及应用。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第3 期纺织学报【4 9 】 质构成的热力系统在热力学力和热力学流都变为零 之后，能在很短的时间内恢复平衡。但准静态和可 逆过程条件的获得在热力系统中有相当大的局限 性。在热力系统中常常会遇到热力学力和热力学流 不为零的情况，这时就需要运用非平衡热力学来描 述和研究存有热
10、力学力和热力学流的非平衡系统。 热力学流的存在使得热力过程为不可逆过程，介质 中的传热、传湿就是典型的不可逆过程。介质的传 热、传湿可分别由F o u d e r 定律和F i c k 定律来描述： L = 一A g r a d F ( W m 一。)( 1 ) L = 一D g r a d C( k g m 一2 s 一1 ) ( 2 ) 式中L 、，。为传递的热力学热流和湿流；A 、D 分别 为导热系数和传质系数；r 为物质的绝对温度；c 为 空气的绝对湿度。传热、传湿既可能是稳态的，也可 能是非稳态的，即物理量场随时间不变化或变化。 对单一稳态非平衡过程，热力学流，与热力学力x 之间的关
11、系可表示为 ，= ，( x ) = - ，。( x 。) + l 并) ( x x 。) + 丢( 筹) 。( x 一剐2 + ( 3 ) 当系统处于平衡态时，系统的热力学力和热力 学流都为零，而当系统偏离平衡态很少时，式中含x 的高次幂可以忽略，式( 3 ) 可表达为 l ，：I 筹lx ：埘 ( 4 ) 、uA ，0 这是系统偏离平衡态后热力学流与热力学力的线性 表达式，比例系数称为唯象系数心o 。 当介质中同时存在着传热和传湿的现象时，湿 度梯度对传热有附加影响，即湿度梯度能引起热流 ( D u f o u r 效应) ；同样温度梯度也能引起湿流( s o r e t 效 应) ，这被称
12、为传热与传湿间的耦合。当热力学力 置、x 。较弱时，系统偏离平衡态很小，有耦合的热 力学流与热力学力的关系常用下式表示 Jq = L X q + L 1 2 x 。0 5 ) ，。= 工2JX 。+ 2 2X 。 ( 6 ) 式中。：为质导热系数；：。为热传质系数；耦合系数 。：与。，满足o n s a g e r 倒易关系；x 。、瓦分别为传递 热、湿的热力学力。式( 5 ) 、( 6 ) 适用于各向同性的均 匀介质。当系统偏离平衡态较远时，式( 3 ) 中的2 次 幂项就不能忽略，此时热力学力与热力学流之间的 关系呈非线性关系。 1 3 服装热湿耦合的非线性描述 在服装的传热、传湿过程中，
13、人体表面的微环境 与服装外侧环境之间存在明显的温差和湿差，在显 热传递过程中传热热量与温差或温度梯度有关，因 此可将显热传热量表达为温差或温度梯度的函数。 考虑到热湿耦合的非线性，式( 5 ) 中的耦合系数，： 被函数厂( c ) 所取代，传湿量的表达也与此相似，传 热、传湿的热力学流与热力学力之间的关系表达为 厶= ，。瓦+ 厂( c ) x 。 ( 7 ) L = ，( r ) X 。+ 丝鼠( 8 ) 式中热力学力x 。、x 。形式的选择可有多种，对于非 线性关系式，热力学力可以取相应物理量场的梯度， 这里更关注热、湿耦合的非线性，厂( C ) 、厂( 丁) 分别是 绝对湿度、绝对温度的
14、函数。它是耦合非线性的体 现，厂( c ) 、厂( r ) 的具体形式必须以一组实验数据的 回归来获得。回归时将函数的形式写成 ，( C ) = o o + 0 1C + 0 2 C 2 ( 9 ) 厂( r ) = 6 0 + 6 lr + 6 2 严 ( 1 0 ) 称厂( c ) 为湿耦合函数，厂( r ) 为热耦合函数，加上 、丝二个系数共有8 个待定系数，通常求解上述 方程的一组数据需要8 个独立的实验来完成，但由 于式( 7 ) 和式( 8 ) 是非线性表达式，两式之间不存在 倒易关系，若以式( 9 ) 和式( 1 0 ) 的形式回归，式( 7 ) 与 式( 8 ) 是相互独立的，
15、因此由4 组实验就可以确定相 应的系数，这样可减少实验的组数和实验时间。服 装面料及其二侧边界层的温度梯度和湿度梯度是不 同的，服装与躯体表面的间距为1 0m m ，服装外侧边 界层的厚度取5m m ，为能用实验的方法研究服装的 热湿耦合，在这1 5m m 的R 半径范围内引入平均 折合梯度，即微环境空气层、面料与外侧空气边界层 这3 层的平均梯度x R 。 2 实验模型及测试数据 工效模拟实验装置是按人体躯干表面热湿状态 而设计的，它是一个有热源、湿源的圆柱体。热源是 通电电热丝，湿源是超声波雾化装置，加热量和加湿 量可调可读，圆柱体的表面覆盖微孔聚四氟乙烯，这 种材料能较好地模拟人体皮肤表
16、面的热湿状态，通 过改变加热量和加湿量来调节模拟表面的温湿度。 在模拟表面外侧的一定距离处围上被测服装面料， 被测面料的内表面与模拟表面相距1 0m m ，形成模 拟人体表面的微环境，如图1 所示。被测面料有效 传热面积为o 3 7 0m 2 ，躯干传热面积为o 3 4 4m 2 。3 组温湿度传感器分别放置于圆柱体内( 参数角标为 i ) 、模拟人体表面( 参数角标为m ) 和被测面料外侧 的环境( 参数角标为o ) ，多路采集系统的采集周期 为3s ，这是考虑到温度传感器和湿度传感器分别有万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www
17、.PDFWatermarkR to remove the watermark 【5 0 】纺织学报 2 0 0 5 年第3 期 一定的时间常数丁。这3 处的温度、绝对湿度和相 对湿度随时间的变化可以曲线或表格的形式显示和 打印。着装人体散热散湿的物理模型见图2 。为避 免其它因素对换热的影响，实验装置安放在4 5m 1 2m 1 8m 的镀锌钢板风道内，风道两侧装有 观察窗，风道的终端装有风量为1 00 0 0m 3 h 的离心 风机，运用变频调速技术，风道内的风速在0 2 0I I l ，s 的范围内连续可调，实验室配有空调设施， 室内环境温湿度可控制在= ( 2 2 0 5 ) ，= (
18、6 5 3 ) 。 4 组实验是4 种不同工况的实验，由此组合成4 个独立的实验，实验中加湿量保持不变，加湿量埘为 0 1 6 1g r I l i n ，加热电压分别为4 0 0 、4 5 0 、5 0 0 和 5 5 0V ，实验测量数据见表1 。表1 中的x 。为传热 的热力学力，计算时取躯干表面外法线方向上 1 5m m 范围内的平均温度梯度。置，为传湿的热力 学力，也是取相同区域内的平均湿度梯度。表中R 。 和R 。分别为总热阻和总湿阻。 1 一模拟人体表面 2 一被测服装面料 3 一超声波雾化器 4 一玻璃喷雾管 5 一轴流风扇 6 一电热丝 7 一泡沫塑料 8 一金属支架 9 一
19、塑料圆盘 l O 一温湿度传感器 1 1 一角钢框架 1 2 一金属丝网 图1 模拟出汗人体表面实验装置 窝 g l q k # 妒m 圆柱形人体躯干 图2 着装人体散热散湿物理模型 表1 不同工况条件下实验测量数据 工况K 叫 c 叫K州 c 刚 刈 _ 2 豢耻盖 ( g m _ 3 ) ( g m 一3 ) ( m 2 K w 一1 )( m 2 P a w 一1 ) ，( K m 一1 )地m 。4 ) 13 0 5 O5 1 O1 7 O2 9 5 4“81 2 6 0 3 6 23 7 8 “02 9 3 23 0 7 5 4 2 9 1 6 4 2 9 5 6“41 2 70 3
20、 l O3 3 67 9 32 4 6 33 0 9 83 7 2 1 6 02 9 5 66 4 21 2 70 2 7 63 1 39 4 72 2 0 43 1 2 83 1 1 1 5 62 9 5 76 3 91 2 7O 2 5 92 9 31 1 4 0 1 9 3 3结果与分析 厶= o 0 8 0 6 x 。+ ( 一1 6 2 + 1 9 4 c m o 0 5 7 7 c ：1 ) 瓦 ( 1 1 ) 将表1 中的实验数据代入式( 7 ) ( 1 0 ) ，回归函数 厂( r ) 、厂( c ) 中温度和绝对湿度的数值取模拟皮肤表面 的温度和绝对湿度，经过整理后得下列2
21、组方程： a o + 1 7 0 0 1 + 2 8 9 0 2 + 2 1 8 l l = O 0 9 1 n o + 1 6 4 0 l + 2 6 9 0 2 + 3 0 5 l l = 0 1 5 6 o o + 1 6 O o l + 2 5 6 0 2 + 4 3 0 三l l = 0 2 3 4 o o + 1 5 6 0 l + 2 4 3 n 2 + 5 9 1 L I l = 0 3 4 1 6 0 + 3 0 5 6 l + 9 3 0 2 5 6 2 + 0 4 5 8 2 2 = 2 5 2 1 0 一4 6 0 + 3 0 7 6 l + 9 4 2 5 0 6 2
22、 + 0 3 2 2 2 2 = 2 0 3 1 0 一4 6 0 + 3 1 0 6 l + 9 6 1 0 0 6 2 + 0 2 3 2 2 2 = 1 7 0 1 0 4 6 0 + 3 1 3 6 l + 9 7 9 7 0 6 2 + 0 1 6 9 2 2 = 1 4 1 1 0 4 解得：o o = 一1 6 。2 ；oJ = 1 9 4 ；0 2 = 一0 0 5 7 7 ；上= 0 0 8 0 6 ；6 0 = 0 0 2 6 1 ；6 l = 一1 5 7 1 0 4 ；6 2 = 2 3 5 1 0 7 ；2 2 = 3 9 l 1 0 一4 。 将这一系列系数代入式(
23、 7 ) 一( 1 0 ) ，得热湿耦合 的非线性关系： L = ( o 0 2 6 1 一1 5 7 1 0 一4r 。+ 2 3 5 1 0 一7 丁：) x 。+ 3 9 1 1 0 _ 4 X 。( 1 2 ) 实验回归式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 定量地反映了被测服装 面料传热传湿耦合实验的非线性关系。水蒸气从躯 干表面穿过空气和服装面料传到周围环境，为了显 示F o u r i e r 热流和D u D u r 热流以及s o r e t 湿流和F i c k 湿流的数量级，将序号为1 的实验数据代人式( 1 1 ) 和( 1 2 ) ，得出下列2 式： I ，口= 8 0
24、6 1 0 2X 。+ 4 7 0 1 0 3X 。 ( 1 3 ) L = 7 5 9 1 0 一X 。+ 3 9 1 1 0 4X 。 ( 1 4 ) 式( 1 3 ) 中的耦合热流系数比F o u r i e r 热流系数 小1 个数量级，式( 1 4 ) 中的耦合湿流系数比F i c k 湿 流系数小1 个数量级。在表1 实验数据计算中，虽 然加湿量不变，但相应的传湿湿阻随加热功率的增 加而减少，这是由于S o r e t 湿流的存在而引起的，而 且由s o r e t 湿流所引起的湿阻下降是明显的。 ( 下转第5 9 页) 万方数据 PDF Watermark Remover DEM
25、O : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第3 期纺织学报【5 9 】 蚤 R 簸 互 R 鹾 伸长m m ( a ) 纵向弯曲 互 R 瞩 互 、 R 嘲 伸长m m ( b ) 横向弯曲 图4 玻璃纤维间隔织物复合材料弯曲曲线 ( b ) 横向弯曲 图5 玻璃纤维三层平针织物复合材料弯曲曲线 总体上看，间隔织物复合材料的抗弯强度大于 平针织物；平针织物由于各层间没有纤维连接，受力 ( 上接第5 0 页) 4 结论 1 ) 用自制出汗模拟躯干实验装置来测试研究 服装传热传湿间的耦合特性，实验结果表
26、明此实验 方式是可行的。 2 ) 模拟着装人体与环境间传热传湿的实验表 明，传热、传湿是相互影响的，在对实验数据的回归 处理后，可知这一耦合关系是非线性的。 3 ) 耦合的D u f o u r 热流、S o r e t 湿流量分别比 的整体性差，所以在外力作用时纤维逐层断裂，其载 荷挠度曲线呈波浪状，不平滑。间隔织物复合材料 由于材料的整体性好，纵向弯曲曲线平滑上升，在达 到最大值后立即下降，说明在这种情况下没有分层 的影响；在横向，由于两层织物受力的不同步，织物 分层破坏直至断裂，使强度大大降低，在图形上呈现 阶梯形。 就同一种结构织物而言，复合材料在纵向的弯 曲强度大于在横向的弯曲强度，
27、这是这种结构材料 各向异性的一种表现，它是由织物本身的结构所决 定的。 3结 论 1 ) 选择适当的编织工艺参数，可以在电脑横机 上用高强度玻璃纤维编织出具有一定厚度的纬编间 隔织物。 2 ) 玻璃纤维纬编间隔织物复合材料在拉伸和弯 曲性能上都优于多层玻璃纤维纬平针织物复合材 料，且材料的整体性和受力的一致性好。 3 ) 对于玻璃纤维纬编间隔织物和平针织物复合 材料，其纵向强度都优于横向强度。 4 ) 间隔织物还可以在机器上一次性制成多种结 构形状，从而免去了剪裁和模压成型对材料结构的 影响，也可以减少生产环节。 参考文献： 1 宋广礼，韦艳华集圈连接玻璃纤维纬编间隔织物的工艺和 结构性能的研
28、究 J 天津工业大学学报，2 0 0 2 ，2 1 ( 2 ) ：3 0 一3 2 2 天津纺织工学院针织学( 第一分册) M 北京：纺织工业出 版社，1 9 8 0 7 6 7 9 3 s a v c is ，c u r i s k i sJI ，蹦l t h o r p eMT K n i t t a b i l i t yo fg l 姗f i b e rw e f t - k I l i t t e dp e 面m s f o rc o m p o s i t e s J T e x t i l eR e sJ ，2 0 0 1 ，7 l ( 1 ) ：1 5 2 1 4 全国纤维增强
29、塑料标准化技术委员会秘书处纤维增强塑料 ( 玻璃钢) 标准汇编 c 北京：中国标准出版社，1 9 9 8 5 宋广礼，韦艳华三维成型织物的计算机辅助设计 J 纺织 学报，2 0 0 1 ，2 2 ( 5 ) ：2 7 2 8 F o u r i e r 热流、F i c k 湿流小1 个数量级。因此，在服装 及面料的传热传湿中，热湿耦合是不可忽略的。 参考文献： 1 何超英，李栋高出汗暖体躯干的工效模拟 J 纺织学报， 2 0 ( ) 4 ，2 5 ( 1 ) ：1 8 2 0 2 施楣梧，姚穆纺织品热湿传递中的交叉效应 J 纺织高校 基础学科学报，1 9 9 5 ，( 1 ) ：1 5 3 李如生非平衡态热力学和耗散结构 M 北京：清华大学出 版社，1 9 8 6 8 3 9 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark