疊層織物透氣性的宏觀流體分析范文

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《毛紡科技雜志》2016年第五期

摘要:

測試了單層及多層織物的透氣性、厚度和質(zhì)量，通過對數(shù)據(jù)進行處理得出織物的透氣性是按照冪函數(shù)的規(guī)律隨著層數(shù)的不斷疊加而減小。為了實現(xiàn)利用Fluent軟件對織物疊層的透氣性進行預(yù)測，選用porousjump模型，通過對織物采用多孔模型簡化處理，得到織物層數(shù)與透氣率，層數(shù)與慣性阻力系數(shù)變化曲線及關(guān)系式。通過這2條曲線得到Fluent分析時的參數(shù)設(shè)置，從而將多種參數(shù)歸并到單一參數(shù)中，簡化了Fluent操作過程，實現(xiàn)了對多層織物透氣性的預(yù)測。

關(guān)鍵詞:

透氣性;多孔介質(zhì);Fluent;慣性阻力系數(shù)

織物透氣性對于評價織物好壞十分重要。在織物穿著過程中，能夠及時將人體產(chǎn)生的水分排出，使皮膚保持合適的濕度和溫度。影響透氣性的因素很多，包括孔徑、結(jié)構(gòu)和紗線自身的性質(zhì)，而且紗線的透氣性也不容忽略。在織物設(shè)計中，需要對織物的透氣性進行估算，計算方法依據(jù)紗線自身的特性而有所差別。多孔介質(zhì)是由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì)［1］。多孔介質(zhì)有如下假設(shè):①流速與壓力滿足達西定律;②流體性質(zhì)為不可壓縮;③由于溫度和濕度變化較小，對結(jié)果影響不大，可以忽略;④織物的形態(tài)不隨壓力的變化而變化［2－5］。將多孔介質(zhì)模型應(yīng)用在織物上，對假設(shè)的解釋為:對于一般織物而言，都是較為柔軟的，當(dāng)織物的兩邊形成壓力差時，織物會有一定的變形，這個變形對織物的透氣性會有影響，但是影響不大;達西定律是使用在巖層滲透性的定律，當(dāng)用在織物時會出現(xiàn)這樣的情況，當(dāng)織物兩端的壓力差增大時，孔隙增大，織物向壓力小的一邊發(fā)生形變，這樣會產(chǎn)生一定的誤差。因為實驗中的壓力差較少，雖然也有這種情況，但不是很明顯。本文實驗，織物兩側(cè)壓力對空氣密度的影響較小，認為是不可壓縮流體。本文根據(jù)流體力學(xué)中的多孔介質(zhì)理論，應(yīng)用于織物疊層透氣性分析，通過實驗測試、數(shù)據(jù)分析尋求織物透氣率與厚度、慣性阻力系數(shù)與厚度之間關(guān)系。以此為基礎(chǔ)進行參數(shù)設(shè)置、簡化Fluent軟件操作過程，為疊層織物的透氣性預(yù)測打好基礎(chǔ)。

1實驗

1.1設(shè)計選出同種類型的布料6塊，對織物進行透氣性和厚度測試;從第一層依次疊加，收集并整理數(shù)據(jù)。將實驗數(shù)據(jù)在Excel表中整理，得出織物層數(shù)與滲透率、慣性系數(shù)的變化曲線;應(yīng)用Fluent軟件對前6次分析結(jié)果進行比對，計算誤差。

1.2材料及設(shè)備YG461E電腦式透氣性測試儀，YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀，YP2002電子天平，20cm×20cm平紋機織布6塊。

1.3布樣選取流體力學(xué)中，層流流動應(yīng)用哈根－伯肅葉定律，將織物的孔隙看成是方形。而且這種結(jié)構(gòu)很常見且穩(wěn)定。織物疊層時選用同種織物，更能反映出規(guī)律性的東西。本文實驗測試樣品選用滌/棉混紡平紋織物，經(jīng)密169根/10cm，緯密244根/10cm，布樣尺寸20cm×20cm。

1.4測試過程首先是單層織物進行透氣性、厚度及質(zhì)量的測試。對織物透氣性和厚度測試時，在織物上選取6個不同點作為測試點，每個點測試6次。對其取平均數(shù)。然后以1號織物作為第1層進行疊加，每增加一層織物，測試一次透氣率和厚度，直到6層為止。試樣透氣性測試采用GB/T5453—1997《紡織品織物透氣性測試》。根據(jù)標準的推薦值，測試面積20cm2，壓差100Pa，噴嘴號可根據(jù)儀器提示進行更換。對透氣率測試結(jié)果修約至2%，變異系數(shù)修約至0.1%。對試樣厚度的測試選取6個不同點作為參考點，對每個點進行測試，求取平均值。試樣厚度測試采用GB3820—1999《紡織品和紡織制品厚度的測定》。根據(jù)測試標準，試樣的壓腳直徑為7.98mm，壓力為10kPa。測試間隔為10s。測點位置、次數(shù)及實驗數(shù)據(jù)處理與織物透氣性測試處理相同。

2測試結(jié)果

采用YG461E數(shù)字式透氣量測試儀，溫度25℃，濕度55%，氣壓883kPa，測試范圍0.2～11834mm/s，測量單位mm/s，測試壓力100Pa，測試面積20cm2。采用YG(B)141D數(shù)字式織物厚度儀，溫度27℃，濕度32%，氣壓878kPa，間隔10s，壓腳直徑7.98mm，壓腳面積50mm2，壓力10kPa，精度0.01mm。單層織物透氣性測試結(jié)果見表1。單層織物厚度測試結(jié)果見表2。對織物進行疊加，測試不同層數(shù)織物的透氣性、厚度及質(zhì)量，不同層數(shù)織物的質(zhì)量由YP2002電子天平測得，精度0.01g。織物層數(shù)與透氣率關(guān)系見如圖1，不同層數(shù)織物透氣性、厚度及質(zhì)量測試結(jié)果如表3所示。由圖1可以看出織物的透氣性隨層數(shù)的不斷疊加而減小，但并不是呈線性減小，而是按照冪函數(shù)規(guī)律變化。將數(shù)據(jù)擬合后得到的結(jié)果為y=1754x－0．5981，R2值為0.998，說明冪律函數(shù)能夠很好的表達透氣性變化趨勢。

3結(jié)果分析

本文實驗是用Fluent軟件對織物疊層的透氣性進行預(yù)測，所以對實驗數(shù)據(jù)的處理能夠保證Fluent軟件計算的需求。對織物采用多孔模型簡化處理。從表3可以看出，透氣率與厚度，慣性阻力系數(shù)與厚度存在某種關(guān)系，可以根據(jù)它們之間的比例關(guān)系進行簡化。多孔跳躍模型輸入界面見圖2。如圖2所示，應(yīng)用porousjump模型需要輸入3個參數(shù)［6－8］:FacePermeability(滲透率)，PorousMediumThickness(多孔介質(zhì)的厚度)，Pressure-JumpCoefficient(壓力階躍系數(shù))。除了厚度外其余2個值需要復(fù)雜的計算。數(shù)據(jù)處理的目的是將這些復(fù)雜的、不必要的計算通過變化曲線將它們反映出來。Porousjump本質(zhì)上是將多單元區(qū)化簡為一維模型。Porousjump常用于與傳熱無關(guān)的過濾、輻射等［9－10］。多孔介質(zhì)的分析計算模型，Porousjump的效果更好，更容易收斂。薄的多孔介質(zhì)厚度有限，它所產(chǎn)生的壓力變化與達西定律和慣性損失有關(guān)。織物的透氣率隨厚度的不斷增加而減小的關(guān)系，呈現(xiàn)出冪律函數(shù)關(guān)系。由式(1)可知，如果將滲透率α和慣性阻力系數(shù)C2這2項看成是一個未知數(shù)，那么厚度就是他們的函數(shù)。應(yīng)用Fluent軟件分析需要輸入織物的厚度、透氣率、慣性阻力。這就意味著織物每增加一層，流體分析時還要對織物的厚度進行測試。本文通過織物的層數(shù)來判斷透氣率，而不需要對疊層織物厚度進行測試，所以如果將織物的厚度看做是單層的，對于織物孔徑而言，相當(dāng)于孔徑縮小。那么可以將織物的透氣率進行相應(yīng)的等效，這樣就可以不用考慮厚度的變化，直接考慮織物層數(shù)與透氣率的變化。現(xiàn)在假設(shè)，所有疊層織物的厚度為單層織物厚度(Δm=0．26mm)，如果要計算2～6層織物的透氣量，按比例換算，就可以達到預(yù)期效果。簡化實驗數(shù)據(jù)，整理得到織物層數(shù)化簡單層的透氣率及慣性阻力系數(shù)如表4所示。由表4得到織物層數(shù)與透氣率、慣性阻力系數(shù)之間的關(guān)系曲線圖，并進行擬合，得到簡化單層厚度透氣率曲線見圖4，簡化單層慣性阻力系數(shù)曲線圖見圖5。由圖4、5可知，簡化后的織物層數(shù)與透氣率、慣性阻力系數(shù)的關(guān)系分別為y=8×1011x－0.598和y=90．841x－0．5981，呈現(xiàn)冪律函數(shù)關(guān)系，相關(guān)度都為R2=0.998，說明這個擬合公式接近真實值。從圖4、5還可以看出，等效后的透氣率和慣性阻力系數(shù)仍然呈現(xiàn)出冪律函數(shù)關(guān)系，也即是說他們的關(guān)系并沒有改變。所以簡化后的實驗數(shù)據(jù)是可行的。對織物疊層的透氣率和慣性阻力系數(shù)的預(yù)測可采用這2個公式。

4結(jié)論

織物可被看成是多孔介質(zhì)，借助Fluent軟件可實現(xiàn)對不同層數(shù)織物的透氣性進行模擬預(yù)測。但是運用軟件分析需要很多參數(shù)，為簡化操作和便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，本文通過對不同層織物測試得出透氣率與厚度數(shù)值，并對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，找出織物層數(shù)與滲透率和慣性系數(shù)1/m之間的關(guān)系。等效后織物層數(shù)與透氣率、慣性阻力系數(shù)的關(guān)系分別為y=8×1011x－0.598和y=90．841x－0．5981，呈現(xiàn)冪律函數(shù)關(guān)系，相關(guān)度都為R2=0.998，這2條曲線基本反映了透氣率或慣性阻力系數(shù)變化趨勢。Fluent分析時的參數(shù)設(shè)置就可從這2條變化曲線求出。據(jù)此可通過Fluent對疊層織物的透氣性進行預(yù)測，根據(jù)宏觀結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果來分析微觀結(jié)構(gòu)，觀察流體在纖維不同截面和不同空間排列下的流動情況，根據(jù)流速及壓力效果對織物進行設(shè)計。

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作者：陳曉東 周云成 王德鵬 單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 輕工與紡織學(xué)院 內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院