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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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)利用Fluent軟件對(duì)織物疊層的透氣性進(jìn)行預(yù)測，選用porousjump模型，通過對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)于評(píng)價(jià)織物好壞十分重要。在織物穿著過程中，能夠及時(shí)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(jì)中，需要對(duì)織物的透氣性進(jìn)行估算，計(jì)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(dá)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(duì)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(duì)假設(shè)的解釋為:對(duì)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(shí)，織物會(huì)有一定的變形，這個(gè)變形對(duì)織物的透氣性會(huì)有影響，但是影響不大;達(dá)西定律是使用在巖層滲透性的定律，當(dāng)用在織物時(shí)會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，當(dāng)織物兩端的壓力差增大時(shí)，孔隙增大，織物向壓力小的一邊發(fā)生形變，這樣會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中的壓力差較少，雖然也有這種情況，但不是很明顯。本文實(shí)驗(yàn)，織物兩側(cè)壓力對(duì)空氣密度的影響較小，認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)

1.1設(shè)計(jì)選出同種類型的布料6塊，對(duì)織物進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(duì)前6次分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，計(jì)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(jī)織布6塊。

1.3布樣選取流體力學(xué)中，層流流動(dòng)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�？椢锆B層時(shí)選用同種織物，更能反映出規(guī)律性的東西。本文實(shí)驗(yàn)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(jìn)行透氣性、厚度及質(zhì)量的測試。對(duì)織物透氣性和厚度測試時(shí)，在織物上選取6個(gè)不同點(diǎn)作為測試點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測試6次。對(duì)其取平均數(shù)。然后以1號(hào)織物作為第1層進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的推薦值，測試面積20cm2，壓差100Pa，噴嘴號(hào)可根據(jù)儀器提示進(jìn)行更換。對(duì)透氣率測試結(jié)果修約至2%，變異系數(shù)修約至0.1%。對(duì)試樣厚度的測試選取6個(gè)不同點(diǎn)作為參考點(diǎn)，對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，試樣的壓腳直徑為7.98mm，壓力為10kPa。測試間隔為10s。測點(diǎn)位置、次數(shù)及實(shí)驗(yàn)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(duì)織物進(jìn)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�？椢飳訑�(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(dá)透氣性變化趨勢。

3結(jié)果分析

本文實(shí)驗(yàn)是用Fluent軟件對(duì)織物疊層的透氣性進(jìn)行預(yù)測，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理能夠保證Fluent軟件計(jì)算的需求。對(duì)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(jìn)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(gè)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(gè)值需要復(fù)雜的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理的目的是將這些復(fù)雜的、不必要的計(jì)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(jì)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(dá)西定律和慣性損失有關(guān)�？椢锏耐笟饴孰S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(xiàng)看成是一個(gè)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(shí)還要對(duì)織物的厚度進(jìn)行測試。本文通過織物的層數(shù)來判斷透氣率，而不需要對(duì)疊層織物厚度進(jìn)行測試，所以如果將織物的厚度看做是單層的，對(duì)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(jìn)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�，F(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(jì)算2～6層織物的透氣量，按比例換算，就可以達(dá)到預(yù)期效果。簡化實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(gè)擬合公式接近真實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可行的。對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同層數(shù)織物的透氣性進(jìn)行模擬預(yù)測。但是運(yùn)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(duì)不同層織物測試得出透氣率與厚度數(shù)值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(duì)疊層織物的透氣性進(jìn)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(dòng)情況，，根據(jù)流速及壓力效果對(duì)織物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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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

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