风速对单双层织物热阻的影响
2019-09-17 点击：
人体与环境进行热交换的过程中，服装起调节作用，可以在一定范围内保护人体免受外界环境变化的影响。此前，许多学者研究了服装热湿舒适性，认为服装的热阻由基本热阻和外表面边界空气层的热阻组成[2]，受到服装材质、服装开口、织物结构等内在因素,以及风速、人体动作等外在因素的影响[3]。蒋培清[4]在研究动态热湿舒适性时发现织物通透性的结构因素对热阻测试结果有不同影响。陆水峰[5]通过羊毛的染整加工处理改变静止空气含量，研究对其保暖性的影响。
外界的有风环境会扰乱边界空气层与织物内部的含气量，并增强对流散热，最终导致服装热阻下降，人们常通过多层着装的方式来阻止热量的流失。为研究风速对织物热阻的影响，本文对不同风速下单、双层面料的热阻进行了测试与分析，为服装的选料及人们的多层着装提供一定的指导意见，并为研究织物热阻时合理处理空气对实验结果的干扰提供参考。
1 实 验
1.1 材 料
通过市场调研了解休闲服常用的面料，最终选用21种面料(12种T恤面料，9种外套面料)，试样规格见表1。
1.2 仪 器
织物热阻及湿阻测试采用美国SGHP-10.5服装热阻和湿阻检测系统。
1.3 测试方法
按照ISO-11092《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》要求：环境温度(20±0.1) ℃，湿度(65±3)%，测试板温度(35±0.1) ℃，风速(1±0.05)m/s，每次测试需保持稳定状态30 min，并将此环境下测得的热阻记作RCT1。为更好地在环境箱内模拟户外有风环境，并保障风速的稳定性与精确性[6]，本文针对软风级别(0.3～1.5 m/s)的风力范围，选定0.5、1.0、1.5 m/s 3种风速作为测试风速，实验过程风速可精确至±0.05 m/s。有效区域总热阻的计算公式为：
根据单层面料热阻测试结果，分别取T恤、外套面料中RCT1最大值与最小值所对应的面料两两组合，测试双层面料在0.5、1.0、1.5 m/s风速下的热阻。
2 结果与分析
2.1 风速对单层织物热阻的影响
热量可通过导热、对流及辐射散发，一般着装状态下辐射散热量很小。
织物的导热主要通过纤维、织物内部空气、边界层，并遵循能量守衡定律及傅里叶定律[7]:
在无风状态下，织物的散热方式主要依靠导热。式(2)表明当环境相同时，c、ρ决定了导热率，因此织物的原材料、厚度、组织结构等都对其保暖性有一定程度的影响[8]。在对流换热过程中，对流换热系数的数值与流体的物理性质，换热表面的形状、部位，表面与流体之间的温差，以及流体的流速等都有密切关系。对于同一织物，由式(2)、(3)可知，当风速增大时，气压降低，空气密度减小，织物中静止空气量减少，边界空气层被削弱，织物的导热量及对流散热量都将发生改变，从而降低织物的保暖性。经测试，不同风速下21种面料的热阻RCT值见表2。
T恤面料厚度与克重均较小，ρ较小，相对轻薄，因此RCT值偏小且较为接近。其中涤纶网眼布9、11、20号纱线较细，且组织结构上孔隙较多，比棉针织物的散热性能好。而外套面料相对区分度较大，除厚度比T恤面料有所增加外，如8号带有起绒组织，对流换热系数h较小，RCT值较大。
同一环境下，每种织物测试所得的RCT不同，为了探究风速对各织物热阻的影响效果，以ISO—11092《纺织品生理舒适性稳态条件下热阻和湿阻的测定》测得的热阻RCT1为各织物热阻变化的参照标准。为探究风速v、RCT、RCT1之间的关系,将21种面料的测试结果绘制成三维图，不同风速下面料的热阻见图1。
据前人研究得到织物热阻随风速变化而变化的过程是曲线过程[9-10]。将1条曲线划分为n段，当v的取值范围足够小时即可近似地视RCT1的变化为直线。在17级风力等级中，本文仅取软风级别作为v的取值范围。
由图1可见，在软风级别下21种面料随风速变化的RCT值近似处于同一斜平面上。因此在软风级别范围内，可将不同风速下的RCT近似视为线性变化，以风速v、RCT1为自变量，通过回归分析进行线性拟合，模型调整R2方差达0.965，且概率P值为0.000，回归模型1见表3。
得出在软风级别的风力范围内，热阻随风速变化的回归模型为：
2.2 风速对双层织物热阻的影响
根据单层面料热阻测试结果可得：T恤面料2号热阻最大，9号热阻最小；外套面料8号热阻最大，13号热阻最小。将上述面料两两组合得4组双层织物，测试其在3种风速下的热阻，结果见图2。
由图2可得双层织物的总热阻小于其各单层织物的热阻之和。单层织物测试时风速扰乱了织物内部空气，且每一个RCT中都包含了边界空气层热阻，而在双层织物测试时，由于外套面料的阻挡内层面料受风速变化的影响较小，组合织物的含气量发生了变化。通过测试结果发现随风速的增大，组合织物的总热阻与各单层热阻下降的趋势相同，对不同风速下单、双层面料的热阻值(RCTa、RCTb)进行回归分析得到模型2，见式(5)，测试结果见表4，模型调整R2为0.934。
式中：v为风速；RCTa1为内层面料的标准热阻；RCTb1为外层面料的标准热阻。
除上述21种面料外，另取4种织物(2种T恤面料，2种外套面料)进行测试，将其RCT1代入模型得出不同风速下双层织物热阻的预测值，与测试值相对比误差在3%以内，说明模型有较好的预测性。
3 结 论
风速会扰乱面料内部及边界空气，降低服装的保暖性，本文针对21种面料在0.5、1.0、1.5 m/s 3种风速下热阻的测试，研究风速对织物保暖性影响的机理，为织物的设计开发、工艺控制及人们的多层着装提供一定的指导意见，并为研究织物热阻时合理处理空气层对实验结果的干扰提供参考。得出：
①测试表明，针对软风风力范围，随风速的增大可将RCT的变化近似视为线性变化。利用回归分析建立了织物热阻与风速之间的数学模型：RCT=-0.038v+0.851RCT1+0.056。
②探究双层组合面料与其各单层面料的热阻关系，得到不同风速下双层面料总热阻的预测模型：RCTab=-0.042 3v+1.006 7RCTa1+0.836 5RCTb1-0.001 7。模型具有一定的预测性与适用性，即在软风风力范围内是适用的，后期可扩大风速范围进行分析与研究。
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