基于ANSYS CFX的織物透氣性數值計算

代文杰　邱華　楊恩惠　王寧　閆正林

摘要： 為了快速設計出透氣性符合實際要求的織物，并研究氣流在織物內部的運動和壓力、壓強的變化規律，文章提出了利用ANSYS CFX對織物透氣性進行數值計算的方法。首先建立織物模型，再在此基礎上對織物模型進行處理，然后對不同壓強下的織物進行數值計算。結果表明：氣流主要通過織物孔隙和紗線之間的間隙，并且通過孔隙時由于遷移加速度的存在速度會增加；通過空隙時在紗線表面會存在很大的剪切力和壓力；模擬值與實驗值進行比較得到的模擬誤差小于16%，所以得到的模型可以反映織物的實際特征。造成誤差的主要原因包括：測試偶然誤差、模型參數誤差、邊界條件與測試條件之間的差別。

關鍵詞： 織物模型；布爾運算；ANSYS；網格；有限元

中圖分類號： TS101.1

文獻標志碼： A

文章編號： 10017003（2018）09005106

引用頁碼：091108

Numerical calculation of fabric air permeability based on ANSYS CFX

DAI Wenjie， QIU Hua， YANG Enhui， WANG Ning， YAN Zhenglin

（Key Laboratory of EcoTextiles， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： In order to rapidly design fabrics whose air permeability meets the actual requirements， and study the changing rules of movement， pressure and pressure intensity of air flow inside the fabric， a method was proposed to numerically calculate the air permeability of fabric by using ANSYS CFX. Firstly， the fabric model was established and processed. Then， the fabrics are numerically calculated under different pressure intensity. The results show that the airflow mainly passed through the gap between the fabric pores and the yarn， and the speed would increases due to the migration acceleration when passing through the pores. There is large shear force and pressure on the yarn surface when passing through the voids. The simulation error obtained by comparing the simulation value with the experimental values was less than 16%， so the model can reflect the actual characteristics of the fabric. The main causes of errors include： accidental errors of test， model parameter errors， and differences between boundary conditions and test conditions.

Key words： fabric model； Boolean operation； ANSYS； grid； finite element

織物的透氣性表示氣流在一定壓差下通過織物后氣流的速度，與織物的保暖性和舒適性密切相關；也會影響空氣過濾材料的過濾效能；影響到衣服與空氣和水之間能量傳遞，從而影響洗滌和晾曬的效率。所以，研究氣體或者液體在織物內的流動特征具有重要的意義。

姚穆等[12]研究得出織物內部存在較多孔隙，孔隙主要包括：紗線之間、纖維之間，以及多層織物之間，其中紗線之間和層與層之間的孔隙對織物透氣性影響最大。S.Jaganathan等[34]利用2D的圖像中像素不同生成3D的纖維束模型，以及為了提高模擬的準確性應該添加周期性網格，并假設氣流在纖維束內進行層流流動，得到氣流在纖維束內的流動狀態。陳曉東等[5]利用FLUENT軟件并選用porous jump作為織物模型，對層疊織物進行流體分析，得到織物透氣性按照冪函數的規律隨著層數的增加而減?。粚崿F了對多層織物透氣性的預測。肖學良等[6]主要研究織物在高壓下織物厚度會減小，并且壓力與厚度之間滿足一定的函數關系。當織物受到壓力，松散織物厚度會減小，但是織物的體積分數變化不明顯，織物透氣性會增加；緊密織物厚度變化較小，織物體積分數會變大，孔隙數量減小，織物透氣性變化較小[7]。

綜上，先前研究主要總結了織物的內部結構及影響織物透氣性的因素；而且利用流體軟件對織物的透氣性進行模擬計算。但是只對織物的透氣性進行定性研究，并且主要集中在非織造織物，沒有涉及機織物并且不能具體分析氣體在織物內部的分布和流動特征，不能用于機織紡織品設計和開發。

因此，本文首先通過顯微鏡觀察得到紗線在織物內的曲屈狀態，得到符合織物真實情況的模型。然后利用ANSYSCFX對織物進行流體模擬計算，得到氣流在織物內部的流動路徑、流動過程中壓強和速度的變化，以及織物在氣流中的受力狀態，得到的結果可以用于紡織品的設計和改進。

1織物建模

1.1織物幾何結構

實驗試樣采用了較為常見的平紋織物，因為平紋織物具有較好的尺寸穩定性、織造工藝簡單，適用于大多數的服用織物和產業用紡織品；其次織物透氣性的大小主要與紗線之間的空隙的大小和數量有關，組織結構對其影響不大，所以采用平紋織物作為研究對象，規格見表1。

紗線在織物內部會被周圍的紗線壓扁并呈現出橢圓或者其他不規則的截面，所以很難直接定義出截面形狀，然而利用超景深儀進行放大可以直接得到紗線的真實截面形態。

在觀察紗線在織物內狀態時，取樣應遵循“隨機取樣”的原則，利用超景深三維數碼顯微鏡（VHX5000），選擇一個基本單元測量紗線在一個方向上的尺度，如圖1所示。

1.2構建模型

織物主要由紗線在經緯組織點上下交錯而形成，構建織物模型首先需要構造出紗線在織物內的彎曲形式，紗線在織物內的結構很復雜并且曲率變化很大。所以，構建織物模型要從紗線中心線開始，主要包括：構建紗線軸心線、紗線橫截面、確定紗線之間的配合這三個步驟。

構建織物應從構建紗線開始，為了保證紗線在軸向順滑，軸心線必須采用插值函數[8]。根據紗線直徑、空隙的大小及厚度和組織結構確定P0、P1、P2的四個特征點，然后利用三切線定理（圖2）和貝塞爾曲線公式，即式（1）得到紗線的軸心線[9]。根據紗線的直徑、織物厚度并利用式（2）—（3）得到紗線的橫截面為類橢圓形，如圖3所示。

2織物模擬計算

2.1模型前處理和網格劃分

流體分析主要利用有限元分析，在網格的節點上進行迭代計算，所以流體主要通過有網格的部分。因此，必須對模型進行Boolean運算（目標體包括流體域和四根紗線，工具體為四根紗線）將織物內紗線刪減掉，得到氣體的流動區域。

網格是模擬計算的基礎，網格的質量直接影響迭代計算速度和收斂情況[10]。Mesh、ICEM CFD、GAMBIT都可以進行網格劃分，不同軟件得到的網格具有不同的特點，根據網格形成部位可以分為：面網格、體網格和膨脹層網格。首先應該設置應用場為CFX流動場，Relevance用于控制網格劃分的質量，值越小網格越粗糙，質量越差；反之質量越好。由于紗線在織物內彎曲形式復雜，并且本來氣流經過邊緣和彎曲時會形成雜亂的氣流，在這些位置必須提高網格密度來更好地捕捉氣體分子的運動狀態[11]，所以要形成膨化層來提高網格密度，如圖4所示。

3邊界條件及控制方程

3.1邊界和參數設置

邊界條件包括：進口、出口和壁面等邊界條件。參數包括：速度、質量流速和壓強等參數，每種參數有x、y、z不同作用方向。進口邊界類型：opening，屬性值：0Pa；出口邊界類型：opening，屬性值：-100Pa（以壓差為100Pa為例）；壁面邊界類型：wall，屬性：No slip wall，使紗線表面的流動速度為0m/s，模擬出紗線表面復雜的毛羽作用（圖5）。

3.2控制方程

有限元網格劃分會將整個模型分解成單個的網格，通過分別計算每個網格后得到整個模型的數據，整個計算過程必須保持能量和動量守恒等定律[12]，如式（4）—（8）：

連續方程：

4.2織物內氣體的流動特征

圖7為氣流經過織物時，氣流對織物內紗線表面的壓力分布；圖8為氣流經過織物時，氣流分子對織物內紗線的剪切力分布?？椢锬Ｐ桶ㄥF形流體域和紗線體，內部紗線會對氣體的流動產生阻礙作用。當氣體通過織物時，根據前文得出氣體分子會首先通過紗線之間的孔隙，大量氣體分子會集中在織物的孔隙，氣體分子的增加會使紗線表面壓強增大并且產生剪切力。

由圖7可以得出，壓強在織物內的紗線上分布比較均勻，在織物的孔隙處由于氣體分子的運動壓強變化較大；由圖8可以得到織物表面剪切力的分布，在織物表面剪切力分布較小，在織物孔隙處剪切力較大。所以在設計紡織品時，特別是結構松散的織物，如蜂巢織物、網目織物時，為了防止剪切力過大對織物造成破壞，在孔隙處需要采用較大的經緯密度或者選用強力大的纖維包裹其他纖維，以保證織物在流動的氣體中不會發生破損和斷裂。

4.3織物內氣體的流動速度

圖9為氣流在織物孔隙處橫截面上的速度變化，其中空白處表示紗線的橫截面，氣流無法通過。當高溫氣體經過潮濕織物表面時，會將表面的水分子或者蒸發的水分子帶離織物表面，以達到對織物干燥的目的。所以，氣流速度的大小會影響織物的導熱、導濕和干燥的作用，了解氣流在織物內速度的變化對于開發和設計保暖透氣織物具有重要意義。由于氣流在流動的過程中不會發生相變，所以氣體流動可以近似看作定常流。

由圖9可知，氣流在進入織物前由于壓強變化較大、氣體的流動面積減小，會產生一定的遷移加速度，并且加速度與氣體運動方向相同，所以氣流速度會增加；通過織物后壓差較小，流動面積增加，流動速度會減小。由此，在設計多層氣體過濾材料時，應該注意氣體經過第一次過濾后，氣流大小會改變，方向會發生分散；為了防止氣流對第二層過濾材料結構造成影響，應該注意兩層過濾材料之間的距離，如果過小會對第二次過濾材料沖擊過大，影響后續的過濾效果。

5實驗數據和模擬數據比較

5.1透氣性測試

根據GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性的測定》的國家標準，即服用織物采用100Pa；產業用紡織品采用200Pa。為了測試具有普遍適用性，以及得出壓差與透氣性之間的關系，利用YG（B）461E型織物透氣測試儀（溫州市大榮紡織儀器有限公司），分別測試了50、75、100、125、150、175、200、225、250、275、300Pa等不同壓差下織物的透氣性，分別測試15次，最后取均值。實驗所測試數據與模擬數據之間的比較見表2。

5.2數據對比和誤差分析

利用ANSYS有限元軟件對模型進行模擬計算得出織物的透氣性。通過對比模擬值和實驗值得出，當壓差小于225Pa時，透氣性隨著壓差的增大而增加的效果比較明顯；當壓差大于225Pa時，透氣性的增加量降低。分析認為，主要是因為當壓差增大后織物在進行測試時會存在下凹現象[11]，這種現象會導致織物緊密度增加，透氣性的增加量會減小。

通過對織物進行有限元分析，得到織物在氣流內部的受力狀態，雖然模擬值和受力值之間有16%的誤差（圖10），但是在可以接受的范圍。造成誤差的因素主要包括：1）實驗參數的誤差，即實驗數據的采集過程存在主觀的判斷，會使織物模型與實際情況存在偏差。2）網格的質量不好。3）模型簡化為剛體材料，忽略毛羽效應的影響。4）邊界條件的設定與實際環境之間的差別，即測試時織物兩邊的壓差處于一個動態變化的數值[13]，而模擬過程中保持靜態壓強所以得到的值會偏大。

另外，有限元軟件大多用于機械設計中，因織物組織的尺度較小，在模擬計算中可能會存在一定的誤差；由于織物受到外力的作用下，在同一塊布料不同位置經緯密度會不同，測試取樣位置有限。同時，由于織物建模的參數是綜合多組數據的平均值，所以模擬值可以反映整塊布料。雖然測試值只代表一部分，但是兩者產生一定的誤差是可以接受的。

6結論

根據貝塞爾和三切線定理，以及利用織物內紗線的直徑和織物厚度構成等參數構建出織物模型。利用ANSYSCFX對織物透氣性進行模擬計算，得到織物的上下表面存在一定壓差時，在孔隙的周圍壓強的變化會很劇烈；在通過織物時氣流的速度先增大后減??；氣流的運動會對紗線產生一定力的作用，在空隙的應力和剪切力較大。由于實驗參數、網格質量和紗線材料等因素使透氣性的模擬值存在一定的誤差，但是利用有限元模擬氣流在織物內部的流動，可以得到織物內部壓力和氣流的速度變化及紗線的受力變化，對織物設計具有一定的意義。

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