叠层织物透气性的宏观流体分析范文

《毛纺科技杂志》2016年第五期

摘要:

测试了单层及多层织物的透气性、厚度和质量，通过对数据进行处理得出织物的透气性是按照幂函数的规律随着层数的不断叠加而减小。为了实现利用Fluent软件对织物叠层的透气性进行预测，选用porousjump模型，通过对织物采用多孔模型简化处理，得到织物层数与透气率，层数与惯性阻力系数变化曲线及关系式。通过这2条曲线得到Fluent分析时的参数设置，从而将多种参数归并到单一参数中，简化了Fluent操作过程，实现了对多层织物透气性的预测。

关键词:

透气性;多孔介质;Fluent;惯性阻力系数

织物透气性对于评价织物好坏十分重要。在织物穿着过程中，能够及时将人体产生的水分排出，使皮肤保持合适的湿度和温度。影响透气性的因素很多，包括孔径、结构和纱线自身的性质，而且纱线的透气性也不容忽略。在织物设计中，需要对织物的透气性进行估算，计算方法依据纱线自身的特性而有所差别。多孔介质是由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所构成的物质［1］。多孔介质有如下假设:①流速与压力满足达西定律;②流体性质为不可压缩;③由于温度和湿度变化较小，对结果影响不大，可以忽略;④织物的形态不随压力的变化而变化［2－5］。将多孔介质模型应用在织物上，对假设的解释为:对于一般织物而言，都是较为柔软的，当织物的两边形成压力差时，织物会有一定的变形，这个变形对织物的透气性会有影响，但是影响不大;达西定律是使用在岩层渗透性的定律，当用在织物时会出现这样的情况，当织物两端的压力差增大时，孔隙增大，织物向压力小的一边发生形变，这样会产生一定的误差。因为实验中的压力差较少，虽然也有这种情况，但不是很明显。本文实验，织物两侧压力对空气密度的影响较小，认为是不可压缩流体。本文根据流体力学中的多孔介质理论，应用于织物叠层透气性分析，通过实验测试、数据分析寻求织物透气率与厚度、惯性阻力系数与厚度之间关系。以此为基础进行参数设置、简化Fluent软件操作过程，为叠层织物的透气性预测打好基础。

1实验

1.1设计选出同种类型的布料6块，对织物进行透气性和厚度测试;从第一层依次叠加，收集并整理数据。将实验数据在Excel表中整理，得出织物层数与渗透率、惯性系数的变化曲线;应用Fluent软件对前6次分析结果进行比对，计算误差。

1.2材料及设备YG461E电脑式透气性测试仪，YG(B)141D数字式织物厚度仪，YP2002电子天平，20cm×20cm平纹机织布6块。

1.3布样选取流体力学中，层流流动应用哈根－伯肃叶定律，将织物的孔隙看成是方形。而且这种结构很常见且稳定。织物叠层时选用同种织物，更能反映出规律性的东西。本文实验测试样品选用涤/棉混纺平纹织物，经密169根/10cm，纬密244根/10cm，布样尺寸20cm×20cm。

1.4测试过程首先是单层织物进行透气性、厚度及质量的测试。对织物透气性和厚度测试时，在织物上选取6个不同点作为测试点，每个点测试6次。对其取平均数。然后以1号织物作为第1层进行叠加，每增加一层织物，测试一次透气率和厚度，直到6层为止。试样透气性测试采用GB/T5453—1997《纺织品织物透气性测试》。根据标准的推荐值，测试面积20cm2，压差100Pa，喷嘴号可根据仪器提示进行更换。对透气率测试结果修约至2%，变异系数修约至0.1%。对试样厚度的测试选取6个不同点作为参考点，对每个点进行测试，求取平均值。试样厚度测试采用GB3820—1999《纺织品和纺织制品厚度的测定》。根据测试标准，试样的压脚直径为7.98mm，压力为10kPa。测试间隔为10s。测点位置、次数及实验数据处理与织物透气性测试处理相同。

2测试结果

采用YG461E数字式透气量测试仪，温度25℃，湿度55%，气压883kPa，测试范围0.2～11834mm/s，测量单位mm/s，测试压力100Pa，测试面积20cm2。采用YG(B)141D数字式织物厚度仪，温度27℃，湿度32%，气压878kPa，间隔10s，压脚直径7.98mm，压脚面积50mm2，压力10kPa，精度0.01mm。单层织物透气性测试结果见表1。单层织物厚度测试结果见表2。对织物进行叠加，测试不同层数织物的透气性、厚度及质量，不同层数织物的质量由YP2002电子天平测得，精度0.01g。织物层数与透气率关系见如图1，不同层数织物透气性、厚度及质量测试结果如表3所示。由图1可以看出织物的透气性随层数的不断叠加而减小，但并不是呈线性减小，而是按照幂函数规律变化。将数据拟合后得到的结果为y=1754x－0．5981，R2值为0.998，说明幂律函数能够很好的表达透气性变化趋势。

3结果分析

本文实验是用Fluent软件对织物叠层的透气性进行预测，所以对实验数据的处理能够保证Fluent软件计算的需求。对织物采用多孔模型简化处理。从表3可以看出，透气率与厚度，惯性阻力系数与厚度存在某种关系，可以根据它们之间的比例关系进行简化。多孔跳跃模型输入界面见图2。如图2所示，应用porousjump模型需要输入3个参数［6－8］:FacePermeability(渗透率)，PorousMediumThickness(多孔介质的厚度)，Pressure-JumpCoefficient(压力阶跃系数)。除了厚度外其余2个值需要复杂的计算。数据处理的目的是将这些复杂的、不必要的计算通过变化曲线将它们反映出来。Porousjump本质上是将多单元区化简为一维模型。Porousjump常用于与传热无关的过滤、辐射等［9－10］。多孔介质的分析计算模型，Porousjump的效果更好，更容易收敛。薄的多孔介质厚度有限，它所产生的压力变化与达西定律和惯性损失有关。织物的透气率随厚度的不断增加而减小的关系，呈现出幂律函数关系。由式(1)可知，如果将渗透率α和惯性阻力系数C2这2项看成是一个未知数，那么厚度就是他们的函数。应用Fluent软件分析需要输入织物的厚度、透气率、惯性阻力。这就意味着织物每增加一层，流体分析时还要对织物的厚度进行测试。本文通过织物的层数来判断透气率，而不需要对叠层织物厚度进行测试，所以如果将织物的厚度看做是单层的，对于织物孔径而言，相当于孔径缩小。那么可以将织物的透气率进行相应的等效，这样就可以不用考虑厚度的变化，直接考虑织物层数与透气率的变化。现在假设，所有叠层织物的厚度为单层织物厚度(Δm=0．26mm)，如果要计算2～6层织物的透气量，按比例换算，就可以达到预期效果。简化实验数据，整理得到织物层数化简单层的透气率及惯性阻力系数如表4所示。由表4得到织物层数与透气率、惯性阻力系数之间的关系曲线图，并进行拟合，得到简化单层厚度透气率曲线见图4，简化单层惯性阻力系数曲线图见图5。由图4、5可知，简化后的织物层数与透气率、惯性阻力系数的关系分别为y=8×1011x－0.598和y=90．841x－0．5981，呈现幂律函数关系，相关度都为R2=0.998，说明这个拟合公式接近真实值。从图4、5还可以看出，等效后的透气率和惯性阻力系数仍然呈现出幂律函数关系，也即是说他们的关系并没有改变。所以简化后的实验数据是可行的。对织物叠层的透气率和惯性阻力系数的预测可采用这2个公式。

4结论

织物可被看成是多孔介质，借助Fluent软件可实现对不同层数织物的透气性进行模拟预测。但是运用软件分析需要很多参数，为简化操作和便于发现规律，本文通过对不同层织物测试得出透气率与厚度数值，并对数据进行相应处理，找出织物层数与渗透率和惯性系数1/m之间的关系。等效后织物层数与透气率、惯性阻力系数的关系分别为y=8×1011x－0.598和y=90．841x－0．5981，呈现幂律函数关系，相关度都为R2=0.998，这2条曲线基本反映了透气率或惯性阻力系数变化趋势。Fluent分析时的参数设置就可从这2条变化曲线求出。据此可通过Fluent对叠层织物的透气性进行预测，根据宏观结构的分析结果来分析微观结构，观察流体在纤维不同截面和不同空间排列下的流动情况，根据流速及压力效果对织物进行设计。

参考文献:

［1］张鸣远．流体力学［M］．北京:高等教育出版社，2010．

［2］冯岑，房莉．机织物的叠层与透气量变化关系的趋势预测［J］．丝绸，2009(7):28－31．

［3］徐广标，王府梅．基于BP神经网络的精纺毛织物透气性能的预测［J］．毛纺科技，2008(2):54－56．

［4］朱华．防尘口罩结构/材料及其加工技术探讨［J］．中国安全生产科学技术，2013，9(4):67－71．

［6］姜维青，樊理山．薄型精纺毛织物透气性与织物结构参数的关系［J］．毛纺科技，2007(10):45－17．

［7］黄子娟，崔春燕，潘晨阳．毛织物透气性能与织物结构参数的灰色关联性［J］．毛纺科技，2015，43(2):13－16．

［8］张清山．关于织物透气性与透湿性测试的几点启发［J］．中国纤检，2013(8):81－83．

［9］吕海荣，杨彩云．机织物孔隙率对织物性能的影响及预测方法［J］．河北纺织，2008(4):20－25．

［10］张辉，谢光银，范立红．洗涤缩绒对羊毛织物透气、光泽和吸声性能的影响［J］．毛纺科技，2008(7):53－55．

作者：陈晓东 周云成 王德鹏 单位：内蒙古工业大学 轻工与纺织学院 内蒙古交通职业技术学院