機織物中液態水傳輸的數值模擬

胡倩倩 劉讓同 李 亮 劉淑萍 李淑靜

（中原工學院，河南鄭州，451191）

人類作為恒溫生命體通過出汗來降溫和散熱，而服裝作為人體的第二皮膚，具有良好的吸濕快干能力非常重要，特別是當穿著者大量出汗或被雨水等外部液體完全浸濕時，即使是最好的水分管理織物也會被浸濕乃至飽和，變得不可吸收、沉重和黏人，顯著降低穿著者的舒適度［1］。影響服裝濕舒適性的因素包括透水性、吸濕性、透氣性和快干性等，其中，吸濕快干性能是影響織物濕舒適性的一個重要方面［2］。因此提高織物的吸濕快干性能顯得尤為重要，國內外很多學者對此進行了研究。在研究方法上數值模擬研究越來越熱，通過建模和物理場數值模擬研究織物水傳輸的學者也越來越多，AGRAWAL Prashant 等人對織物上滴漬的形成進行了試驗和數值研究，并用達西定律通過滲吸試驗測量機織物的滲吸特性［3］；ALI M A 等人通過非破壞性試驗獲得三維正交織物在不同壓實度下的X 射線顯微計算機斷層掃描圖像來生成3D 模型，使用流體動力學控制方程數值模擬求解邊界值［4］；LUO Xiaonan 等人建立了三維幾何模型，根據質量守恒、能量守恒、毛細現象推導了新模型，使用時域有限差分法求解偏微分方程，描述織物中熱濕傳遞的物理機制［5］；PALAKURTHI Nikhil Kumar 等人基于有限體積方法，對潤濕液體通過虛擬纖維介質的毛細滲透進行微尺度模擬［6］；SHIH Shihhao 等人建立的模型考慮了汗液在多孔介質中的運動、傳熱、纖維吸收和蒸發，通過CFD 軟件包ANSYS Fluent 對其進行求解，模擬人體與織物-環境耦合系統中熱濕傳遞 瞬 態行為［7］；POORUN Yashna 等人推導了一個具有隨機項的多相多組分流動模型，用于研究纖維多孔介質中的熱濕傳遞［8］；BARAUSKAS Rimantas 等人提出了一個多層織物與人體之間水汽交換的結構模型［9］；WU Xionghua 等人利用BP神經網絡，針對水刺非織造布建立了預測模型進行計算機模擬［10］；WANG Z 等人通過使用多孔紡織品模型對熱濕耦合傳遞的數學模型進行分析［11］；ZHENG Yi 等人基于紗線的微觀結構建立三層模型處理液體與紗線之間的相互作用，用于濕吸和芯吸計算［12］。總之國內外研究者對織物液態水傳輸的研究，要么從試驗中采集數據［13-15］，要么利用理論方程間接推理［16-18］，無法直觀得到液體在織物中的傳輸距離，無法系統解釋織物液態水傳輸特性。為此，本研究以機織物為載體，通過研究液態水在不同浮長機織物的鋪展傳輸，分析液態水在機織物中的傳輸規律，尋找液態水在機織物中傳輸的最有利結構，探索液態水在機織物中傳輸的可控性，為吸濕快干服裝面料的研究設計提供理論依據。

1 試驗

1.1 仿真試驗

為了便于驗證，選用紗線捻度較大、細度相對較粗、織物密度相對較低的斜紋織物進行模擬。利用建模軟件構建不同浮長機織物模型，仿真模擬液態水在其表面的鋪展狀態和傳輸行為。網格劃分采用有限元軟件內置的自由四面體網格和三角網格。三角網格最小單元為0.109 μm，最大單元為0.606 μm，最大單元增長率為1.5，曲率因子為0.6，模型紗線交錯等邊界狹窄區域分辨率為0.5 dpi，剩余自由四面體網格控制實體迭代次數為4，處理最大單元深度（個數）也為4。網格劃分結果如圖1 所示。

圖1 網格劃分

液態水在織物上會受到自身重力、纖維或紗線間毛細作用力、纖維黏附力的作用，三者的合力決定液態水的主傳輸方向。假設織物水平放置，如果合力以自身重力占主導，液態水主要沿厚度方向傳輸；如果合力以紗線間毛細作用力占主導，液態水主要沿織物中紗線的浮長方向傳輸，或沿垂直浮長方向（另一系統紗線的浮長方向）傳輸；黏附力的存在影響液態水傳輸的距離。為便于分析，規定正面浮長方向對應y軸，垂直浮長方向對應x軸，厚度方向對應z軸。液態水在織物中的傳輸既有毛細作用也有擴散作用，毛細作用是織物中紗線間、纖維間的作用力，擴散作用是液態水分子熱運動運輸現象，是分子通過布朗運動從高濃度向低濃度區域運輸的過程。為了準確分析液態水在織物中的鋪展傳輸行為，本研究采用稀物質擴散模型和菲克定律進行數值模擬，分析液態水在機織物上沿x、y和z向的液態水傳輸過程。

在機織物模型中添加物理場，對物質濃度和機織物屬性進行設置，擴散系數0.16×10-12m2/s，水的初始濃度0.055 6 mol/m3，初始含水飽和度0.5，相對分子質量18，動力黏度2.98×10-3Pa·s，機織物體積質量998.2 g/m3，紗線排列密度44 根/10 cm。

1.2 實際測試

選用丙綸長絲進行合股加捻，捻度35捻/10 cm，紗線直徑接近0.23 cm，采用小樣機織制三上一下、五上一下和十五上一下3 種斜紋織物，經密緯密均采用44 根/10 cm。

通過自制的液態水傳輸測試裝置利用圖像處理技術對自制試樣的液態水傳輸距離（x、y向）進行測試。

2 結果與分析

2.1 液態水傳輸形態分析

液態水傳輸過程中，由于毛細力作用，液態水在機織物上沿x軸或y軸方向不斷潤濕，出現表面小范圍的浸潤；同時由于機織物結構間孔隙存在，液態水會隨著時間的延長沿紗線間的孔隙逐漸向z軸方向滲漏。機織物結構的差異，使得從孔隙滲漏的水量會有所不同，沿x軸與y軸方向潤濕的材料面積也各向迥異，傳輸一直進行直至水量消耗完畢。

液態水在機織物中的傳遞主要取決于水對纖維表面的潤濕性能、纖維細度和截面形狀、紗線間距，改變纖維細度和截面形狀、紗線間距，液態水在機織物上傳輸的形態也會隨之改變。通過多物理場仿真軟件模擬可得液態水在機織物上隨時間鋪展所形成的形態，有“單向”“十字”和“橢圓”等典型形態，如圖2 所示。其中，橢圓形和十字形如圖2（a）和圖2（b）所示，為雙向傳輸；圖2（c）則為單向傳輸。這些形態也得到實際試驗證實。

從圖2 中不難看出，液態水在浮長較小的三上一下織物上呈橢圓形鋪展，在浮長較大的十五上一下機織物上呈單向傳輸。說明材料的結構一定程度上決定了液態水的鋪展形態，浮長越小，材料中經緯紗線交織點越多，液態水鋪展時可同時接觸經緯紗，有利于沿著x、y方向的雙向傳輸，但由于反面傳輸相對滯后于正面，所以使鋪展形態最終呈橢圓形；十字形應該屬于橢圓形形態中的特例，改變紗線粗細會使液態水傳遞形態最終呈十字形，在保持紗線排列密度不變的情況下，紗線越細越不利于液態水在機織物x、y平面的鋪展，減少了液態水在經緯紗中浸潤的交叉傳輸，液態水依然雙向傳輸但形態呈十字。機織物浮長越長，液態水要傳輸到反面浮長的滯后時間加大，液態水在毛細力作用下主要呈現出沿正面浮長方向傳輸，浮長的加大意味著另一系統紗線接觸到液態水的機會減少，液態水最終以浮長方向的紗線為載體鋪展，呈現出單向傳輸形態。

圖2 液態水在機織物中的模擬和實際傳輸形態

2.2 液態水傳輸距離分析

液態水在織物中的傳輸能力可以用傳輸距離進行衡量。當液態水總量一定時，傳輸距離越大，表明材料對液態水的傳輸能力就越強，液態水在其中容易完成輸送；同時液態水在機織物上的傳輸沿x軸、y軸與z軸3 個方向進行，但一般會形成差異的傳輸距離，三者的傳輸距離變化曲線會形成不同的組合，或者會出現某一方向傳輸距離明顯大的情況。這種認知可能會為液態水在材料中的控制傳輸提供理論指導。通過多物理場仿真軟件模擬可得3 類液態水傳輸距離變化曲線的組合，如圖3 所示。

圖3 中，組合1 顯示，液態水在y軸方向的傳輸距離遠遠超過x、z軸方向，此類組合存在于（二上一下到六上一下）小浮長機織物中，液態水雙向傳輸，浸潤形態多呈橢圓形；組合2 表明，沿厚度方向液態水傳輸距離變化加大，傳輸距離變大，沿浮長方向傳輸的最大值變小，x軸小幅上升，此類組合出現在（七上一下到十一上一下）中等浮長機織物中，織物變得相對松軟；組合3 顯示，就（十二上一下到十五上一下）機織物來說，浮長足夠長，交織點少，反面浮長能夠接觸到液態水的機會少，受此影響鋪展形態呈現單向傳遞，由于長浮長的存在使織物變得松軟，織物孔隙易變，液態水可能出現直接滲漏掉下，脫離織物而不參與傳輸，從而使z軸傳輸距離變大，甚至與y軸傳輸距離相當。

通過圖3 還可以看出，在x軸方向上，液態水傳輸距離隨時間變化較平穩，各機織物在x軸方向最終傳輸距離范圍在8 mm 到11 mm 之間，說明織物中同一系統互相平行的紗線之間液態水的“跨潤”不明顯，存在一定阻力；而在沿浮長方向的y軸上，液態水傳輸距離斜率較陡，數值變化較明顯，各機織物在y軸方向最終傳輸距離范圍在18 mm 到32 mm 之間，說明改變織物的浮長對液態水的傳輸有明顯影響，可以考慮通過改變浮長來控制液態水在機織物中的傳輸。在z軸方向上，液態水傳輸距離曲線有較平緩和較陡的區段，曲線趨勢差別較大，說明織物結構對液態水在厚度方向上的滲漏影響較大，傳輸距離大約在18 mm 到22 mm 之間不等。事實上，這個傳輸距離已經超出織物的厚度范圍，但能說明液態水自身重量影響其在材料中的傳輸。

圖3 液態水在機織物上傳輸距離變化

通過模擬仿真試驗可以得到如圖4 和圖5 所示的液態水在各模型機織物上的傳輸行為。從圖4 的傳輸距離與浮長關系中可以看出，液態水在不同浮長織物上的傳輸行為具有相似性，同一方向的傳輸距離曲線走勢基本相同，但織物不同方向上的傳輸存在差異，沿浮長方向的傳輸距離明顯大于其他方向；織物浮長對液態水的傳輸距離有明顯影響，在短浮長時明顯存在隨著浮長的增加，液態水傳輸距離有增加的趨勢，從二上一下到四上一下斜紋織物，液態水沿浮長方向的傳輸距離是逐漸增加的，增加浮長有利于液態水的傳輸，在四上一下斜紋織物中液態水沿浮長方向的傳輸距離達到最大值（35 mm），當浮長超過一定值時，液態水的傳輸距離隨浮長的增加而逐漸減小，最后達到穩定，說明增加浮長并不會一直增加液態水的傳輸能力，本研究認為浮長長度選擇在4 附近比較合理，可以為機織物中液態水傳輸控制設計提供一種參考。從圖5 的傳輸距離與時間曲線看，在浮長方向液態水傳輸距離隨著時間延長而逐漸增加，開始增加比較快，經過一定時間的傳輸后增加減緩，最終達到穩定的最大值；在垂直浮長方向的傳輸距離相對比較穩定，說明浮長的增加沒有改變液態水在紗線間“跨潤”的物理條件；在厚度方向的傳輸距離基本穩定但存在不太明顯下降趨勢，說明厚度方向以重力為驅動的液態水傳輸物理條件沒有根本性改變，另外浮長的增加可能導致織物的松軟和孔隙變大，液態水直接掉下脫離織物而不參加傳輸。

圖4 液態水傳輸距離與織物浮長的關系

圖5 液態水傳輸距離與傳輸時間的關系

2.3 液態水傳輸速度分析

傳輸速度也是衡量液態水在機織物中傳輸能力的重要參數。根據仿真模擬結果，繪制二上一下到十五上一下斜紋織物在x、y、z軸方向液態水的平均傳輸速度，如圖6 所示。

圖6 液態水傳輸速度

從圖6 可以看出，液態水在機織物中的傳輸速度在x軸、y軸、z軸3 個方向存在差異，其中沿浮長方向的y軸方向速度最快，曲線先上升后下降，傳輸速度先增加后減小，x軸方向和z軸方向速度慢，曲線較平緩，波動小，速度基本穩定。圖6 中曲線表明，隨著浮長增長，沿y軸方向的傳輸速度在16 mm/s～35 mm/s 范圍變化，變化規律與傳輸距離相似，明顯與浮長有關，存在液態水最大傳輸距離的浮長；沿x軸傳輸速度變化范圍為8 mm/s～12 mm/s，變化區間不大，傳輸速度基本穩定，浮長對x軸方向傳輸速度影響較小；沿z軸傳輸速度變化范圍為16 mm/s～22 mm/s，短浮長時速度隨浮長增加有一定增加，在中等浮長時數值相對穩定，在大浮長時，傳輸速度有所下降，其原因與傳輸距離變化規律的成因存在相似性。對比3 個方向可以看出，液態水的傳輸速度存在y軸≥z軸＞x軸，液態水沿浮長方向的傳輸速度最高可以達到35 mm/s；而當浮長超過某一長度時，隨著織物浮長增加，紗線間孔隙越大，液態水沿厚度方向的傳輸越快，z軸逐漸變為主要傳輸通道，甚至出現滲漏，此時浮長不再是影響液態水傳輸距離和傳輸速度的主要因素。

2.4 模擬結果與實測結果對照分析

通過對三上一下、五上一下和十五上一下3種斜紋織物的模擬仿真和實際測試，可以得到三者沿x軸、y軸液態水的最大傳輸距離，具體結果如表1 所示。可以看出，模擬結果與實測結果基本接近。其中相對誤差最小的是五上一下斜紋織物，其x向相對誤差只有8.7%，y向相對誤差9.3%，而十五上一下織物相對誤差最大，其y向達26.1%，說明本模擬方法對于模擬短浮長織物液態水的傳輸是有效的。原因可能與紗線模型及測試方法有關，實際紗線是由纖維構成的，液態水不僅會在紗線表面傳輸，也會在紗線內部傳輸，而模擬試驗建模時紗線是實心的，液態水只在紗線表面傳輸，顯然與實際情況存在差異；另外浮長加長可能會使織物變軟，孔隙變化較大，沿厚度方向的滲漏增加，這在模擬試驗中是無法反映的，這也可能是十五上一下織物相對誤差較大的原因。

表1 最大傳輸距離結果對照 單位：mm

3 結論

（1）機織物的浮長結構影響液態水傳輸模式，液態水在機織物上的傳輸存在“橢圓”“十字”“單向”3 種典型形態。

（2）從傳輸距離和傳輸速度方向看，浮長方向是液態水在織物中傳輸的優先通道，增加浮長有利于液態水在織物中的傳輸，但傳輸距離和速度不是一直增加，存在與浮長對應的最大值。

（3）在本研究中四上一下織物擁有最大的傳輸距離和傳輸速度，有利于液態水的傳輸，這對于吸濕快干織物結構的設計提供一種選擇依據，控制液態水傳輸的最佳浮長條件選擇在4 左右。

（4）模擬結果與實測結果在傳輸距離方面具有較好的一致性，尤其適用于模擬短浮長織物液態水的傳輸。