織物接觸冷暖感的模擬分析

蔡 彥，陳怡充，嚴航宇，楊允出

(1.浙江理工大學 服裝學院，浙江 杭州 310018； 2.浙江理工大學 國際教育學院, 浙江 杭州 310018)

織物接觸冷暖感指織物與皮膚接觸時給人體皮膚的溫度刺激在人們大腦中形成的關于冷或暖的判斷[1]。長期以來，國內外學者對織物冷暖感進行了大量研究，目前較為成熟的實驗測試方法是通過KES-F7型織物冷暖感測試儀測試的織物最大瞬態熱通量qmax值[2]評價織物的接觸冷暖感。國內在織物接觸冷暖感的研究上起步較晚，但也有了大量相關研究，張旭靖等[3]對14種內衣織物進行比對測試，得到織物接觸冷暖感與織物表面粗糙程度、織物含氣量以及織物厚度的關系。俞滌美等[4]開發了一種涼爽型服用面料，并通過面料接觸冷感、熱傳導等指標對其進行測評。董陳磊等[5]運用瞬態平面熱源法對不同溫度條件下織物的熱導率進行了探究。張如全等[6]基于單片機開發了一臺能模擬織物與人體皮膚接觸時熱交換過程的裝置，用于評價織物接觸冷暖感，實驗證明該測試裝置具有良好的精度。資菲菲等[7]運用反問題方法，提出了織物動態熱濕傳遞數值模型中單層織物孔隙率的最優解。Tian等[8]以雙層織物為對象，探究了織物厚度、織物堆積順序和表皮結構等變量對瞬態最大熱通量、穩態熱通量等參數的影響。Itani等[9]在恒定熱通量下用暖體假人對降溫背心中相變材料在不同身體部位的最佳排列方式進行了探究，確定了不同軀干節段上相變材料包的最佳布局。上述對于織物接觸冷暖感的研究，多基于實驗儀器顯示的單一物理指標對織物接觸冷暖感進行評價，無法對織物與人體皮膚接觸的過程進行表征。計算機模擬方法可通過建立幾何模型進行仿真模擬，針對不同條件進行相應的模擬，為織物接觸冷暖感的預測分析提供了方向。近年來，越來越多研究者采用計算機模擬方法研究織物舒適性，包括織物接觸熱阻[10]、織物接觸人體后皮膚溫度[11]以及空氣層對多層織物傳熱的影響[12]。陳揚等[13]運用Ansys軟件對非穩態條件下織物傳熱情況進行了模擬，但均未涉及織物接觸冷暖感中的熱通量值。

本文通過有限元仿真模擬的方式，對機織物接觸冷暖感進行探究。通過分析織物與人體皮膚接觸瞬間熱量傳導的情況，建立有限元仿真模型，通過實驗驗證模型的可靠性，并運用模型對毛羽層厚度變化及加入高熱導率紗線時織物與人體皮膚接觸面熱通量的變化進行預測分析。

1 建立仿真模型

織物是由紗線、紗線間空氣和紗線周圍的毛羽共同組成的整體，內部紗線間存在眾多孔隙，紗線的形態結構各不相同，因此影響織物接觸冷暖感的因素眾多，本文從組成織物的紗線層面進行探究，分析織物與人體皮膚接觸時的熱量傳導過程，建立有限元仿真模型，對毛羽層厚度及織物內部紗線熱導率變化的條件下進行模擬分析，探究這2種因素對織物接觸冷暖感的影響。本文以機織物為主要研究對象，選取3種平紋織物進行仿真模擬。

1.1 建立織物幾何模型

為建立織物三維幾何模型，需要得到紗線的寬度、高度以及間距。用電子顯微鏡對織物進行測量，得到織物內部紗線的幾何參數見表1。可以看出，紗線截面形態不是規則的圓形，為保證建立的模型中紗線更加真實，將紗線截面理想化的定義為橢圓形。

表1 織物內部紗線的幾何參數 mm

運用Texgen軟件進行建模，對紗線的截面形態與交織規律進行調整后導出模型，織物有限元模型見圖1。可以看出，織物內部紗線周圍的孔隙間存在大量毛羽，織物三維幾何模型并不能表征出織物內部的毛羽。織物中的毛羽主要來自于紗線，紗線毛羽主要包括2類：生產過程中未被卷入紗線條干而外露的部分、生產過程中紗線表面附著的部分[14]。毛羽的存在會改變織物內部空間組成，影響織物接觸冷暖感。為了簡化問題，本文將織物內部毛羽與空氣層視作一個復合材料的集合體。

圖1 織物有限元模型

1.2 毛羽層等效熱導率模型

織物內部的毛羽形態大小具有隨機性，無法準確測量。為研究方便，假設織物內毛羽與空氣均勻分布。等效熱導率可通過多相復合材料的多相層和平板式模型[15]進行計算，分別為兩相串聯模型和兩相并聯模型。等效熱導率的串并聯模型見圖2。圖中，q為熱流量大小，W/m2；Va、V1為空氣與毛羽層的體積占比，%；d、L1、L2分別為毛羽層厚度、空氣等效寬度、毛羽等效寬度，mm。

圖2 等效熱導率的串并聯模型

假設織物內部毛羽層與空氣層平行排列、所有毛羽熱導率值均相等、熱量傳導方向與2種材料的交接面平行，等同于熱導率串聯。等效熱導率的串聯計算式見式(1)；熱量傳導方向與2種材料的接觸界面垂直時，熱量會依次通過2種材料，等同于熱導率并聯，等效熱導率的串聯計算式見式(2)。

(1)

(2)

式中：λm為等效熱導率，W/(m·℃)；λa為空氣熱導率,W/(m·℃)；λ1為毛羽熱導率，W/(m·℃)；V1為毛羽的體積占比，%。

由等效熱導率的串并聯模型可得，毛羽體積占比與毛羽熱導率大小均為等效熱導率的影響因素。傳熱方向與2種材料交接面平行時，毛羽等效熱導率大小與其熱導率大小以及體積占比均呈正相關；傳熱方向與2種材料交接面垂直時，纖維熱導率和體積占比的增加均會使其等效熱導率增大。

本文假定織物中毛羽體積占比為5%，空氣的熱導率從Ansys workbench軟件數據庫讀取為0.024 2 W/(m·℃)，分別計算得到毛羽層集合體等效熱導率，等效熱導率串并聯模型的計算結果見表2。

表2 等效熱導率串并聯模型的計算結果 W/(m·℃)

1.3 建立有限元模型

將三維幾何模型導入Ansys workbench軟件，對織物進行布爾運算，將織物設置為整體。因建立的模型只有紗線實體，紗線間為空腔，與織物實際不相符，故在紗線模型四周創建厚度為0.02 mm的包圍層，用于表征織物內部除紗線以外的空氣毛羽集合體。

建立織物模型并對織物模型中的材料參數進行設置，并進行網格劃分與邊界條件設定。本文模擬織物與人體皮膚接觸瞬間織熱量傳導的情況，采用Steady-Thermal模塊對這一瞬間的狀態進行模擬。結合熱通量qmax值得進行實驗測試，定義織物模型上表面為與人體皮膚的接觸面，上表面溫度設定為30 ℃；定義織物模型下表面為與空氣接觸面，下表面溫度設定為20 ℃，初始環境溫度設定為20 ℃。假定織物四周邊界為絕緣體，不與周邊環境進行熱量交換，僅在織物模型內部進行熱量傳導。

1.4 模擬預測分析

對毛羽層厚度變化以及加入高熱導率紗線情況下，織物與人體皮膚接觸面的熱通量變化情況進行模擬預測分析。采用3#織物的4根經紗4根緯紗組成的平紋織物單元模型作為載體，針對毛羽層厚度以及加入高熱導率紗線分別制定模擬方案。

毛羽層厚度變化會使得織物內部空氣含量增多、整體厚度發生變化，從而影響織物接觸冷暖感。為探究毛羽層厚度對織物接觸冷暖感的影響，本文只針對與皮膚接觸一側的毛羽層進行研究，在紗線模型與人體皮膚接觸一側設置毛羽層。毛羽層厚度由0開始以0.02 mm為1個梯度依次遞增至0.10 mm。

織物內加入高熱導率紗線會影響織物等效熱導率及織物接觸冷暖感。由李麗[16]的研究可知，加入織物的紗線的熱導率可高達0.504 5 W/(m·℃)，因此模擬中熱導率取值從0.1 W/(m·℃)開始以0.05 W/(m·℃)為1個梯度遞增至0.4 W/(m·℃)。

1根高熱導率紗線位置示意圖見圖3。分別在織物中4根緯紗所在的4個位置(位置1、位置2、位置3、位置4)加入1根高熱導率紗線，進行模擬。完成對單根高熱導率紗線的模擬后，增加1根高熱導率紗線進行模擬預測分析，2根高熱導率紗線位置圖見圖4。

圖3 高熱導率紗線位置標注圖

圖4 2根高熱導率紗線位置圖

2 仿真模型驗證

2.1 有限元模擬結果

運用Ansys workbench軟件的穩態熱傳遞模塊進行傳熱分析，模擬織物與人體皮膚接觸瞬間的熱量傳導情況。織物與人體皮膚接觸面熱通量模擬結果見圖5。可以看出，熱通量值差距較大，熱通量最大值出現在織物交織點區域、最小值則出現在紗線間的空隙區域。在軟件中選取最大結果輸出，得到織物與人體皮膚接觸面熱通量結果為：1#織物為1 900.5 W/m2、2#織物為1 525 W/m2、3#織物為1 369.3 W/m2。

圖5 織物與人體皮膚接觸面熱通量模擬結果

2.2 實驗驗證

對模擬結果進行驗證，實驗在恒溫恒濕實驗室(溫度(20±2) ℃，相對濕度65%±5%)中進行。將KES-F7織物冷暖感測試儀的定溫臺Waterbox溫度設定為20 ℃，BT-Box溫度設定為30 ℃，待儀器穩定后對3種面料分別進行3次測試，讀取熱通量qmax值。將測試的熱通量qmax平均值與有限元模擬所提取的最大熱通量值進行對比，實驗測試結果與模擬結果的對比見表3。

表3 實驗測試結果與模擬結果的熱通量對比

從表3可以看出，模擬結果與實驗結果誤差均小于6%，吻合度較好，本文建立的有限元仿真模型可用于評價織物接觸冷暖感。

3 預測分析結果

3.1 織物毛羽層厚度對熱通量的影響

織物內部普通紗線為純棉紗線，模擬織物與人體皮膚接觸瞬間熱量傳導情況，設置初始毛羽層參數，其中用于表征織物內紗線周圍毛羽的包圍層厚度與實驗模擬相同為0.02 mm，施加載荷并求解。毛羽層厚度變化時熱通量模擬結果見表4。毛羽層厚度變化時熱通量模擬結果見圖6。

表4 毛羽層厚度變化時熱通量模擬結果

圖6 毛羽層厚度變化時熱通量模擬結果

從圖6可以看出，不同毛羽層厚度的織物與人體皮膚接觸面熱通量差別較大。熱通量隨毛羽層厚度增加逐漸減小，熱通量越小織物能帶走的熱量越少，織物接觸冷感覺越小。當毛羽層厚度增加時，織物厚度增加，與皮膚的接觸面由紗線變為織物表面零散的毛羽。隨著毛羽層厚度增大，織物與人體皮膚間間隙變大，織物整體厚度也隨之變大，導致織物體積變大，使得織物中紗線體積占比減小，而空氣體積占比增加，等效熱導率減小，則織物與人體皮膚接觸瞬間帶走的熱量減少，織物接觸冷感覺降低暖感覺增強。

3.2 織物嵌入高熱導率紗線對熱通量的影響

織物內部普通紗線為純棉紗線，模擬織物與人體皮膚接觸瞬間熱量傳導情況，其中用于表征織物內紗線周圍毛羽的包圍層厚度與實驗模擬相同為0.02 mm，設置高熱導率紗線參數，施加載荷并求解。加入單根高熱導率紗線時熱通量模擬結果見表5。

表5 加入單根高熱導率紗線時熱通量模擬結果 W/m2

當高熱導率紗線的熱導率變化時，通過織物與人體皮膚接觸面的熱通量變化明顯。熱通量隨紗線熱導率增加逐漸增加，相比于普通純棉紗線，包含高熱導率紗線的織物能帶走更多熱量，織物接觸冷感覺越強。由表5可以看出，加入高熱導率紗線時，織物與人體皮膚接觸面熱通量會隨著紗線熱導率增大而線性增大，且熱導率越大熱通量變化曲線越趨于平穩，其主要原因是加入高熱導率紗線使織物等效熱導率增大。根據等效熱導率的串并聯模型可得，織物等效熱導率會隨著高熱導率紗線熱導率增大而線性增大，熱通量值也會隨之線性增大。

將中間位置2、3的熱通量值取均值，邊緣的位置1、4熱通量值取均值，高熱導率紗線在織物中不同位置時的熱通量結果見圖7。由曲線分布可得，改變模型中高熱導率紗線位置時，熱通量值會發生變化。高熱導率紗線位于位置1和位置4時，熱通量值明顯小于位置2和位置3。主要原因是預測分析中采用4根經紗4根緯紗組成的平紋織物，織物四周絕緣，不與外界發生熱量傳導，當高熱導率紗線位于織物的不同位置時，其作用效果差異明顯，從而引起熱通量的差異。

圖7 高熱導率紗線在織物中不同位置時的熱通量結果

其他條件不變情況下，改變高熱導率紗線根數，由1根改變為2根，施加載荷并求解。改變高熱導率紗線根數時熱通量模擬結果見圖8。

圖8 改變高熱導率紗線根數時熱通量模擬結果

從圖8可以看出，當高熱導率紗線數量由1根變成2根時，通過織物與人體皮膚接觸面的熱通量值會有明顯增大。根據等效熱導率的串并聯模型，當高熱導率紗線數量增多時，高熱導率紗線所占體積比增加，織物等效熱導率增加，織物熱通量也隨之增大，織物接觸冷感覺增強。

4 結 論

為了探究織物接觸冷暖感，建立了三維模型，通過有限元軟件，實現了對織物接觸冷暖感的仿真模擬，結合實驗驗證了有限元模型的準確性。運用模型對毛羽層厚度變化以及織物中加入高熱導率紗線時織物與人體皮膚接觸面的熱通量變化進行仿真模擬，得到以下結論。

①織物毛羽層厚度增加會使得熱通量減小。毛羽層厚度增加，織物厚度也隨之增大，織物整體等效熱導率降低、熱通量減小，織物接觸冷感覺降低，因此增加織物表面毛羽層厚度可以有效降低織物接觸冷感覺。

②織物中加入高熱導率紗線時，熱通量隨著熱導率增大而增大，且當熱導率增大時熱通量曲線增速趨緩。高熱導率紗線的加入使得織物等效熱導率上升，與人體皮膚接觸瞬間能從人體皮膚帶走更多熱量，使得織物接觸冷感覺上升。因此加入高熱導率紗線是提高織物冷感覺的有效方法，且高熱導率紗線數量越多，冷感覺提升效果越明顯。