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、厚度和質量，通過對數據進行處理得出織物的透氣性是按照冪函數的規律隨著層數的不斷疊加而減小。為了實現利用Fluent軟件對織物疊層的透氣性進行預測，選用porousjump模型，通過對織物采用多孔模型簡化處理，得到織物層數與透氣率，層數與慣性阻力系數變化曲線及關系式。通過這2條曲線得到Fluent分析時的參數設置，從而將多種參數歸并到單一參數中，簡化了Fluent操作過程，實現了對多層織物透氣性的預測。

關鍵詞:

透氣性;多孔介質;Fluent;慣性阻力系數

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、結構和紗線自身的性質，而且紗線的透氣性也不容忽略。在織物設計中，需要對織物的透氣性進行估算，計算方法依據紗線自身的特性而有所差別。多孔介質是由固體物質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成的物質［1］。多孔介質有如下假設:①流速與壓力滿足達西定律;②流體性質為不可壓縮;③由于溫度和濕度變化較小，對結果影響不大，可以忽略;④織物的形態不隨壓力的變化而變化［2－5］。將多孔介質模型應用在織物上，對假設的解釋為:對于一般織物而言，都是較為柔軟的，當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，當用在織物時會出現這樣的情況，當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生形變，這樣會產生一定的誤差。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。本文根據流體力學中的多孔介質理論，應用于織物疊層透氣性分析，通過實驗測試、數據分析尋求織物透氣率與厚度、慣性阻力系數與厚度之間關系。以此為基礎進行參數設置、簡化Fluent軟件操作過程，為疊層織物的透氣性預測打好基礎。

1實驗

1.1設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，收集并整理數據。將實驗數據在Excel表中整理，得出織物層數與滲透率、慣性系數的變化曲線;應用Fluent軟件對前6次分析結果進行比對，計算誤差。

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

1.3布樣選取流體力學中，層流流動應用哈根－伯肅葉定律，將織物的孔隙看成是方形。而且這種結構很常見且穩定。織物疊層時選用同種織物，更能反映出規律性的東西。本文實驗測試樣品選用滌/棉混紡平紋織物，經密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。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》。根據標準的推薦值，測試面積20cm2，壓差100Pa，噴嘴號可根據儀器提示進行更換。對透氣率測試結果修約至2%，變異系數修約至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、次數及實驗數據處理與織物透氣性測試處理相同。

2測試結果

采用YG461E數字式透氣量測試儀，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果見表1。單層織物厚度測試結果見表2。對織物進行疊加，測試不同層數織物的透氣性、厚度及質量，不同層數織物的質量由YP2002電子天平測得，精度0.01g。織物層數與透氣率關系見如圖1，不同層數織物透氣性、厚度及質量測試結果如表3所示。由圖1可以看出織物的透氣性隨層數的不斷疊加而減小，但并不是呈線性減小，而是按照冪函數規律變化。將數據擬合后得到的結果為y=1754x－0．5981，R2值為0.998，說明冪律函數能夠很好的表達透氣性變化趨勢。

3結果分析

本文實驗是用Fluent軟件對織物疊層的透氣性進行預測，所以對實驗數據的處理能夠保證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，慣性阻力系數與厚度存在某種關系，可以根據它們之間的比例關系進行簡化。多孔跳躍模型輸入界面見圖2。如圖2所示，應用porousjump模型需要輸入3個參數［6－8］:FacePermeability(滲透率)，PorousMediumThickness(多孔介質的厚度)，Pressure-JumpCoefficient(壓力階躍系數)。除了厚度外其余2個值需要復雜的計算。數據處理的目的是將這些復雜的、不必要的計算通過變化曲線將它們反映出來。Porousjump本質上是將多單元區化簡為一維模型。Porousjump常用于與傳熱無關的過濾、輻射等［9－10］。多孔介質的分析計算模型，Porousjump的效果更好，更容易收斂。薄的多孔介質厚度有限，它所產生的壓力變化與達西定律和慣性損失有關。織物的透氣率隨厚度的不斷增加而減小的關系，呈現出冪律函數關系。由式(1)可知，如果將滲透率α和慣性阻力系數C2這2項看成是一個未知數，那么厚度就是他們的函數。應用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，相當于孔徑縮小。那么可以將織物的透氣率進行相應的等效，這樣就可以不用考慮厚度的變化，直接考慮織物層數與透氣率的變化。現在假設，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，就可以達到預期效果。簡化實驗數據，整理得到織物層數化簡單層的透氣率及慣性阻力系數如表4所示。由表4得到織物層數與透氣率、慣性阻力系數之間的關系曲線圖，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曲線圖見圖5。由圖4、5可知，簡化后的織物層數與透氣率、慣性阻力系數的關系分別為y=8×1011x－0.598和y=90．841x－0．5981，呈現冪律函數關系，相關度都為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仍然呈現出冪律函數關系，也即是說他們的關系并沒有改變。所以簡化后的實驗數據是可行的。對織物疊層的透氣率和慣性阻力系數的預測可采用這2個公式。

4結論

織物可被看成是多孔介質，借助Fluent軟件可實現對不同層數織物的透氣性進行模擬預測。但是運用軟件分析需要很多參數，為簡化操作和便于發現規律，本文通過對不同層織物測試得出透氣率與厚度數值，并對數據進行相應處理，找出織物層數與滲透率和慣性系數1/m之間的關系。等效后織物層數與透氣率、慣性阻力系數的關系分別為y=8×1011x－0.598和y=90．841x－0．5981，呈現冪律函數關系，相關度都為R2=0.998，這2條曲線基本反映了透氣率或慣性阻力系數變化趨勢。Fluent分析時的參數設置就可從這2條變化曲線求出。據此可通過Fluent對疊層織物的透氣性進行預測，根據宏觀結構的分析結果來分析微觀結構，觀察流體在纖維不同截面和不同空間排列下的流動情況，根據流速及壓力效果對織物進行設計。

參考文獻:

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作者：陳曉東 周云成 王德鵬 單位：內蒙古工業大學 輕工與紡織學院 內蒙古交通職業技術學院