風速對單雙層著裝狀態下運動服針織面料濕阻的影響

王利君， 馬希明， 丁殷佳, 陳誠毅

(1. 浙江理工大學 服裝學院， 浙江 杭州 310018； 2. 浙江省服裝工程技術研究中心， 浙江 杭州 310018)

運動服作為運動時人體與環境間的中間層，對二者之間的熱濕傳遞起著十分重要的作用。作為服裝熱濕傳遞性能的重要評價指標，熱阻和濕阻常用于構建人體與環境間的熱濕傳遞模型，從而評價服裝的熱濕性能[1-3]。服裝的熱阻和濕阻受多種因素影響，包括服裝自身的款式、著裝層數、衣下間隙、風速以及人體運動及服裝面料自身的性能等[4-6]。

服裝的熱阻、濕阻由面料自身和表面邊界空氣層的熱阻、濕阻組成，風速的增加會擾亂面料內部和邊界的空氣層，從而改變服裝的熱濕傳遞性能。于瑤等[7]研究表明，當人體靜止站立時，熱阻隨風速的增大而減小。Havenith等[8]選擇了3套正常工作服，測試了在有風狀態(風速為0.7，4.1 m/s)下的熱阻值，并得出了針對有風條件下的正常工作服的熱阻修正方程。Nilsson等[9]針對冬季防寒服在0.4～1 m/s風速下的熱阻值展開了研究，得到了相關的修正方程。王發明等[10]利用暖體假人“Walter”測量了各層服裝及不同組合的熱阻，結果顯示單件服裝熱阻與服裝組合系統的熱阻之間呈近似指數關系。趙蒙蒙等[11]研究表明，通風系統的引入可有效減少服裝的濕阻。Cui等[6]研究發現，風速的提高極大程度上降低了服裝的濕阻。上述研究內容主要集中在風速與單層面料熱阻、濕阻的關系上;但運動服雙層的著裝方式在日常生活中非常普遍，不同的服裝組合后的濕阻也不同，并且很多室外運動往往是在有風的環境下進行,因此，研究風速對面料濕阻的影響以及單雙層著裝狀態下面料濕阻之間的定性定量關系，對于指導企業和消費者合理搭配運動服裝，提高運動套裝舒適性具有重要意義。

本文通過對4種風速下12種T恤面料、8種外套面料以及聚類分析后兩兩組合的9種雙層組合運動服面料的濕阻進行測試，模擬皮膚-T恤-外套之間的透濕傳遞過程，分析軟風范圍內風速(0.1～1.5 m/s)與單、雙層組合運動服面料濕阻間的定量關系。

1 實驗部分

1.1 試樣與儀器

選用20種市場上常見的運動服針織面料。1#～12#為T恤面料、13#～20#為外套面料，具體規格參數見表1。

表1 織物規格參數表Tab.1 Fabric specification parameters

電子天平(沈陽龍騰電子有限公司)、YG(B)141D型數字式織物厚度儀(溫州方圓儀器有限公司)、YG(B)216-Ⅱ型織物透濕量儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)、YG(B)871型毛細管效應測定儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)、Y511型織物密度分析鏡(溫州方圓儀器有限公司)、YG461-III型數字式織物透氣量儀(溫州大榮紡織儀器有限公司)、DST52008紡織品干燥速度測定儀(大榮科學精器制作所)、SGHP-10.5服裝熱阻和濕阻檢測系統(美國西北測試科技公司)。

1.2 織物性能測試

1.2.1 舒適性

測試前根據GB/T 8629—2001《紡織品 試驗用家庭洗滌和干燥程序》和GB/T 6529—2008《紡織品 調濕和試驗用標準大氣》對所有試樣進行預處理和調濕。在溫度為(20±2)℃、相對濕度為(65±2)%的條件下，根據FZ/T 01071—2008《紡織品 毛細效應試驗方法》、GB/T 21655.1—2008《紡織品 吸濕速干性的評定 第1部分：單項組合試驗法》、GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》和GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，測得織物芯吸高度、干燥速度、透濕率和透氣率，如表2所示。

表2 織物性能參數Tab.2 Fabric performance parameters

1.2.2 濕 阻

采用服裝熱阻和濕阻檢測系統和自制網架隔層對單、雙層組合運動服針織面料進行濕阻測試。為更好地模擬雙層著裝狀態，本文搭建網架隔層支撐外層織物，見圖1。

圖1 自制網架Fig.1 Self-made net frame

傳統平鋪式測量方式因重力因素使雙層織物間空氣層厚度接近于零，實際由于體溫和衣下間隙，2層織物間存在空氣層。為研究風速對濕阻的影響,結合實驗操作的簡易性，測試時內外層織物的空氣層厚度取7 mm[12]。具體搭建方案如下：首先在內層織物上方使用4根高7 mm、長50 cm的亞克力邊框板圍1圈，然后在其上方放置由直徑為1 mm的鐵絲兩兩間隔2 cm編制成的鐵絲網，最后將測試所需的外層織物平鋪于鐵絲網上。

為保證環境箱內風速的穩定性和精確性[13]，本文針對軟風級別的風速范圍，選定0.1、0.5、1.0、1.5 m/s 4種風速作為測試風速，實驗過程中風速可精確至±0.05 m/s。實驗開始時根據ISO 11092—2014《紡織品 生理效應 穩態條件下耐熱和耐水蒸氣性能的測量(防護熱板排汗試驗)》中濕阻測試要求設置環境箱，溫度為(35±0.1) ℃，濕度為(40±3)%，熱板溫度為(35±0.1) ℃，環境箱提前預熱至穩態。然后將已備好的大小為50 cm×50 cm的單層面料或雙層網架隔層面料正面朝上平鋪于玻璃纖維薄膜之上，風速傳感器末端調節至織物中上方7 mm處，每次測試需保持穩定狀態30 min，最終得到的數據為30 min內濕阻的平均值。

2 結果與討論

2.1 風速對單層織物濕阻的影響

為定量分析T恤面料和外套面料在不同風速下濕阻的變化，參照ISO 11092—2014標準，將風速為1.0 m/s時的面料濕阻定義成標準濕阻，作為各面料濕阻變化的參照值，繪制4種風速下T恤面料和外套面料濕阻、標準濕阻與風速的三維關系圖，如圖2所示。

從圖2中4種風速下T恤面料的濕阻可以看出：1)總趨勢上，在軟風范圍內，T恤面料濕阻隨風速的增大而減小。當風速從0.1 m/s增加到0.5 m/s時，濕阻顯著減小，當風速由0.5 m/s增加到1.5 m/s時，濕阻下降的速度開始趨于平緩。2)在風速變化相同的條件下，各面料濕阻減小的程度不同。

同理，對4種風速下外套面料的濕阻進行分析可知，外套面料濕阻的變化趨勢和T恤面料相同。對單層運動服面料來說，當風速增大時，對流效應增強。一方面，導致空氣密度減小，空氣層變薄，水蒸氣透過邊界空氣層的阻力減小；另一方面，空氣的流動帶走了織物內側擴散的水蒸氣，并以新空氣替代，而新的空氣流經織物表面又帶走部分水氣，以此循環，加快了織物水氣的擴散，造成了濕阻的減小。

由圖2可見,T恤面料和外套面料濕阻與風速和標準濕阻之間的關系并非簡單的線性關系，因此嘗試使用最小二乘法對數據進行多項式非線性擬合。為求得最佳多項式擬合結果，分別對數據進行一階、二階、三階、四階多項式擬合。

圖2 4種風速下T恤面料和外套面料濕阻與風速、標準濕阻的三維關系圖Fig.2 Three-dimensional relationship between moisture resistance and wind speed, standard moisture resistance of T-shirt fabric (a) and outwear fabric (b) under 4 kinds of wind speed

一階：

f1(x,y)=k0+k1x+k2y

二階：

f2(x,y)=k0+k1x+k2y+k3x2+k4xy

三階：

f3(x,y)=k0+k1x+k2y+k3x2+k4xy+

k5x3+k6x2y

四階：

f4(x,y)=k0+k1x+k2y+k3x2+k4xy+

k5x3+k6x2y+k7x4+k8x3y

式中：f(x,y)為濕阻，m2·Pa/W；x為風速，m/s；y為標準濕阻，m2·Pa/W；k0,k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7,k8均為待定系數。計算不同階數多項式擬合結果的均方根誤差(RMSE)、平均絕對誤差(MAE)、擬合優度(R2)和平均絕對百分比誤差(MAPE)，如表3所示。

表3 T恤和外套面料不同階數多項式擬合結果Tab.3 Fitting results of T-shirt and outerwear fabrics with different order polynomials

由表3可見，隨著多項式階數的增加，擬合優度隨之提高，但呈現出放緩趨勢。尤其是階數由三階到四階時，各項評價指標并沒有明顯的提高;但是擬合公式卻變得更為復雜，計算量增加,因此,綜合考慮公式的復雜程度和擬合優度問題，最終選擇三階多項式作為擬合公式。

T恤面料：

fT(x,y)=30.626+85.525x+0.620y+

72.289x2+0.065xy+25.589x3+

0.104x2y

外套面料：

fo(x,y)=32.567-83.733 4x+0.392y+

81.147x2+0.029xy-26.701x3+

0.144x2y

2.2 風速對雙層組合織物濕阻的影響

2.2.1 聚類分析

為提高實驗效率，需選出有代表性的T恤、外套面料，以模擬雙層著裝狀態。依據影響濕阻變化的性能指標：透氣率、透濕率、芯吸高度、干燥速率、標準濕阻(即本文中風速為1.0 m/s時所測得的濕阻)，對12種T恤面料和8種外套面料分別進行Q型聚類分析。Q型聚類能將性質相近的面料分在同一類，把性質差異較大的分在不同的類，聚類結果見圖3。

由圖3可知，T恤面料可分為3類：{1#，2#，3#，4#，9#}；{5#，7#，10#}；{6#，8#，12#，11#}，從中各挑選1種面料作為代表，即4#、10#、11#，將它們分別命名為A1、A2、A3。外套面料也可分成3類：{13#，14#，18#}；{16#，20#}；{15#，17#，19#}，從中各挑選1種面料作為代表，即13#、16#、17#，將它們分別命名為B1、B2、B3。

2.2.2 風速對雙層組合運動服面料濕阻的影響

將上述所選的代表性T恤面料和外套面料作為內外層，兩兩組合成9種雙層組合織物。對4種風速下T恤-外套雙層組合運動服面料的濕阻進行分析，結果如表4所示。

由表4可看出，風速對雙層組合織物濕阻總的變化趨勢和下降速度開始變平緩的轉折點與單層織物相同。結合風速對單層織物的影響可發現，風對織物濕阻的影響主要是以下2個方面：一方面是由于風壓作用，氣流透入織物，擾亂了織物內部的空氣層以及衣下空氣層；另一方面是由于風使邊界層空氣變薄，邊界層空氣的濕阻值降低，從而使織物總的濕阻值降低。

圖3 T恤面料與外套面料聚類結果Fig.3 Clustering results of T-shirt fabrics (a) and outwear fabrics (b)

表4 風速對雙層組合運動服面料濕阻的影響Tab.4 Effect of wind speed on moisture resistance of double-layers sportswear fabric combination

2.3 雙層組合運動服面料濕阻預測模型構建

為進一步尋求風速、單層T恤濕阻、單層外套濕阻以及雙層T恤外套組合運動服面料濕阻之間的關系，對風速和單、雙層組合織物濕阻進行多元貝葉斯回歸分析。

1)針對雙層組合織物濕阻建立多元貝葉斯回歸模型：

Y=β0+β1X1+β2X2+β3X3+ε

式中：X1,X2,X3分別表示雙層組合織物的內層織物濕阻、外層織物濕阻以及風速；β1,β2,β3為其相應系數；β0為常數項；ε為不同風速下織物濕阻測試時的隨機誤差。

3)對預測模型進行檢驗，模型的擬合優度R2為0.988 4，平均絕對誤差(MAE)為0.830 1，均方根誤差(RMSE)為1.001 6，平均絕對百分比誤差(MAPE)為3.20%。圖4示出濕阻測試值與模型預測值的對比。

圖4 濕阻預測值與測試值對比Fig.4 Comparison between predicted and output values

當平均絕對百分比誤差低于20%時，可認為模型預測性良好[14]。此處模型的平均絕對百分比誤差低于10%，與測試值相似度很高。這一結果表明，在軟風范圍內該模型能很好地利用單層面料的濕阻值預測雙層組合面料的濕阻值，簡化了實驗過程，可以為企業選購運動服面料提供指導。

4)最終可確定軟風范圍內風速、T恤面料、外套面料以及T恤-外套雙層組合運動服面料之間的濕阻模型：

Rdouble=13.293 3+0.807 3RA+

0.258 8RB-0.601 8v

式中：Rdouble為T恤-外套雙層組合運動服面料濕阻，m2·Pa/W；RA為T恤面料濕阻，m2·Pa/W；RB為外套面料濕阻，m2·Pa/W；v為軟風范圍內風速，m/s。

通過對模型的分析可知，內層面料濕阻所占比重比外層面料的濕阻大，選擇運動服套裝時要格外注重T恤的散濕性能。

3 結 論

本文著重研究風速與單、雙層組合面料濕阻之間的關系，為消費者和企業在外界軟風范圍的運動服著裝和搭配提供參考意見。采用美國SGHP-10.5服裝熱阻和濕阻檢測系統對市場上常用的12種T恤面料和8種外套面料進行了4種風速下的面料濕阻測試，并且通過聚類分析，選取3種T恤面料和3種外套面料為代表，利用搭建網架隔層模擬T恤和外套的雙層著裝狀態，實現了定量測試不同風速下T恤與外套雙層組合運動服針織面料之間的濕阻。研究結論如下：

1)在軟風范圍內(0.1～1.5 m/s)，風速對單、雙層組合織物濕阻總的影響趨勢是相同的。當風速從0.1 m/s增加到0.5 m/s時，濕阻均隨風速的增加顯著減小；當風速由0.5 m/s增加到1.5 m/s時，濕阻的下降速度均開始趨于平緩。

2)在軟風范圍內，分別構建了單層面料(T恤或外套面料)濕阻與風速間的三階多項式模型，以及雙層組合面料濕阻與內外層面料濕阻之間的線性模型。2個模型均具有良好的預測性，平均絕對百分比誤差都在5%以內。

3)通過對雙層組合運動服面料濕阻模型的分析發現,內層T恤面料的濕阻對雙層組合運動服面料濕阻的影響更大，著裝時要格外注重T恤的散濕性能。