纺织学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 154-162.doi: 10.13475/j.fzxb.20210911309

• 服装工程 • 上一篇    下一篇

羽绒制品热传递的有限元仿真

吴佳玥1, 吴巧英2()   

  1. 1.浙江理工大学 服装学院, 浙江 杭州 310018
    2.浙江理工大学 国际教育学院, 浙江 杭州 310018
  • 收稿日期:2021-09-29 修回日期:2022-07-27 出版日期:2022-11-15 发布日期:2022-12-26
  • 通讯作者: 吴巧英
  • 作者简介:吴佳玥(1996—),女,硕士生。主要研究方向为服装舒适性。

Finite element simulation of heat transfer through down coat panel

WU Jiayue1, WU Qiaoying2()   

  1. 1. Fashion College, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China
    2. College of International Education, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou, Zhejiang 310018, China
  • Received:2021-09-29 Revised:2022-07-27 Published:2022-11-15 Online:2022-12-26
  • Contact: WU Qiaoying

摘要:

针对现有羽绒制品保暖性测试方法的测试时间较长、成本较高等不足,提出一种数值模拟测试方法。采用ANSYS有限元软件建立“羽绒-织物-皮肤”的三维几何模型,模拟分析不同织物、不同填充密度、不同绗缝数量条件下模型内部与外表面的温度分布特征,探究不同条件对热量沿厚度方向和宽度方向传递的影响,计算其保暖性,并进行实验验证。结果表明:羽绒填充密度增加,热量沿模型厚度方向的传递距离增大,外表面温度及热流密度减小;绗缝数量增加,热量沿模型厚度方向的传递增大,沿模型宽度方向的传递距离减小,外表面温度及热流密度逐渐增大;织物对羽绒制品保暖性的影响较小;模拟结果与实验结果的最大相对误差为4.79%,二者吻合度较好。

关键词: 有限元仿真, 羽绒制品, 保暖性, 热传递

Abstract:

A numerical simulation method was proposed to address the shortcomings associated to the existing down product warmth test, such as long testing time and high cost. ANSYS finite element software was used to establish a three-dimensional geometric model of "down-fabric-skin". The temperature distribution characteristics of the internal and external surfaces of the model with different fabrics, different filling densities and different number of quilts were simulated and analyzed, the influence of different conditions on the heat transfer along the thickness and width directions were studied and its clo values calculated, and experimental validation was carried out. The results show that the heat transfer distance along the thickness direction of the model increases with the increase of down filling density, and the temperature and heat flow density of the outer surface decreased. The heat transfer along the thickness direction of the model increased with the increase of the number of quilting, and the heat transfer distance along the width direction of the model decreased, and the temperature and heat flow density of the outer surface gradually increased. The influence of fabric on the warmth of down products was small, and the maximum relative error between simulated and experimental clo values is 4.79%, indicating good agreement between the two.

Key words: finite element simulation, down product, warmth retention, heat transfer

中图分类号: 

  • TS941.17

图1

稳态热传递三维过程图 注:x轴表示模型宽度方向,y轴表示模型长度方向,z轴表示模型厚度方向;Qdx表示沿模型宽度方向热量,Qdz表示沿模型厚度方向热量;Ta表示织物外表面温度,Tb表示环境温度,Ts表示皮肤温度;x1、x2、x3表示皮肤热量作用在模型表面的位置。"

图2

绗缝后的“羽绒-织物-皮肤”简化模型"

图3

不同绗缝数量的羽绒实验袋"

图4

“羽绒-织物-皮肤”几何模型图(以2条绗缝为例)"

图5

几何模型截面示意图(以2条绗缝为例)"

表1

试样数据"

试样
编号
织物名称 织物
厚度c/
mm
填充
密度/
(g·m-2)
绗缝
数量/
绗缝一
侧宽度b/
mm
半径r/
mm
1# 全弹春亚纺 0.16 60 1 296 454.67
2# 尼丝纺 0.14 60 1 296 454.67
3# 四面弹 0.37 60 1 296 454.67
4# 桃皮绒 0.31 60 1 296 454.67

表2

试样数据"

试样
编号
填充密度/
(g·m-2)
绗缝数量/
绗缝一侧宽度b/
mm
半径r/mm 试样
编号
填充密度/
(g·m-2)
绗缝数量/
绗缝一侧宽
b/mm
半径r/mm
1 60 1 296 454.67 9 100 1 291 299.25
2 60 2 289 179.52 10 100 2 278 123.26
3 60 3 283 106.60 11 100 3 272 80.60
4 60 4 275 68.81 12 100 4 263 54.67
5 80 1 293 341.08 13 120 1 289 269.28
6 80 2 283 142.13 14 120 2 273 109.74
7 80 3 276 88.03 15 120 3 268 74.54
8 80 4 267 58.56 16 120 4 256 49.10

表3

织物参数"

材料名称 厚度/mm z轴方向导热系数/(W·m-1·K-1)
全弹春亚纺 0.16 0.019
尼丝纺 0.14 0.020
四面弹 0.37 0.056
桃皮绒 0.31 0.027

图6

部分网格模型"

图7

不同织物的羽绒实验袋温度分布图"

图8

不同填充密度的羽绒实验袋温度分布图"

图9

不同绗缝数量的羽绒实验袋温度分布图"

表4

模型模拟热流密度值"

填充
密度/
(g·m-2)
绗缝
数量/
热流
密度/
(W·m-2)
填充
密度/
(g·m-2)
绗缝
数量/
热流
密度/
(W·m-2)
60 1 17.707 60 3 24.020
80 1 16.077 80 3 22.394
100 1 13.992 100 3 20.086
120 1 13.027 120 3 19.582
60 2 22.484 60 4 30.752
80 2 19.920 80 4 23.017
100 2 16.570 100 4 21.690
120 2 15.520 120 4 21.019

表5

热流密度的多元线性回归模型汇总"

模型 R R2 调整后R2 标准误差
1 0.958 0.917 0.904 1.368 432

表6

热流密度回归系数表"

模型 未标准化系数 标准化系数 t 显著性
B 标准误差 Beta
1 (常量) 22.186 1.612 13.764 0.000
填充密度 -0.108 0.015 -0.564 -7.068 0.000
绗缝数量 2.965 0.306 0.774 9.691 0.000

图10

不同填充密度、绗缝数量的羽绒实验袋热流密度分布图"

表7

有限元模拟结果与实验结果对比(第1组)"

试样
编号
织物 填充密度/
(g·m-2)
绗缝数量/
模拟温差/
模拟热流密度/
(W·m-2)
保暖性模拟值/
clo
保暖性测试
值/clo
相对误差/
%
1# 全弹春亚纺 60 1 5.787 17.707 2.11 2.06 2.43
2# 尼丝纺 60 1 5.863 18.648 2.03 2.01 1.00
3# 四面弹 60 1 5.807 20.954 1.79 1.88 -4.79
4# 桃皮绒 60 1 5.631 17.907 2.03 2.05 -0.98

表8

有限元模拟结果与实验结果对比(第二组)"

试样
编号
填充密度/
(g·m2)
绗缝数量/
模拟温差/
模拟热流密度/
(W·m-2)
保暖性模拟值/
clo
保暖性测试值/
clo
相对误差/
%
1 60 1 5.787 17.707 2.11 2.06 2.43
2 60 2 6.760 22.484 1.95 1.96 -0.51
3 60 3 6.686 24.020 1.80 1.76 2.27
4 60 4 7.319 30.752 1.54 1.56 -1.28
5 80 1 6.639 16.077 2.66 2.63 1.14
6 80 2 7.309 19.920 2.37 2.45 -3.27
7 80 3 8.077 22.394 2.33 2.27 2.64
8 80 4 7.501 23.017 2.10 2.09 0.48
9 100 1 6.339 13.992 2.92 2.90 0.69
10 100 2 6.693 16.570 2.61 2.65 -1.51
11 100 3 7.412 20.086 2.38 2.38 0.03
12 100 4 7.594 21.690 2.26 2.26 -0.05
13 120 1 6.823 13.027 3.11 3.06 1.63
14 120 2 6.720 15.520 2.79 2.78 0.36
15 120 3 8.144 19.582 2.68 2.66 0.75
16 120 4 7.938 21.019 2.43 2.48 -2.02
[1] 沈华, 王茜, 王府梅. 国内外热阻测试方法研究[J]. 中国纤检, 2014(10): 66-70.
SHEN Hua, WANG Qian, WANG Fumei. Research on thermal resistance test methods at home and abroad[J]. China Fiber Inspection, 2014(10): 66-70.
[2] 张鹤誉, 赵晓明, 郑振荣. 织物热传递的数值模拟研究进展[J]. 山东纺织科技, 2014, 55(1): 50-53.
ZHANG Heyu, ZHAO Xiaoming, ZHENG Zhenrong. Research progress in numerical simulation of fabric heat transfer[J]. Shandong Textile Science & Technology, 2014, 55(1): 50-53.
[3] 孙玉钗, 冯勋伟, 程中浩. 空气层及织物层数对通过纺织品热量损失的影响[J]. 纺织学报, 2005, 26(2): 74-76.
SUN Yuchai, FENG Xunwei, CHENG Zhonghao. Effectof air and fabric layers on heat loss through textilesystem[J]. Journal of Textile Research, 2005, 26(2): 74-76.
doi: 10.1177/004051755602600113
[4] 孙玉钗, 冯勋伟, 刘超颖. 纺织品热传递有限元分析[J]. 东华大学学报(自然科学版), 2006, 32(2): 50-53.
SUN Yuchai, FENG Xunwei, LIU Chaoying. Application of finite element method in analysis of heattransfer through textile fabrics[J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2006, 32(2) :50-53.
[5] MUHAMMAD O R S, DANMEI S. Finite element analysis of thermal conductivity and thermal resistance behaviour of woven fabric[J]. Computational Materials Science, 2013(75): 45-51.
[6] PUSZKARZ A K, KORYCKI R, KRUCINSKA I. Simulations of heat transport phenomena in a three-dimensional model of knitted fabric[J]. Autex Research Journal, 2016, 16(3): 1-10.
doi: 10.1515/aut-2015-0059
[7] PUSZKARZ A K, KRUCINSKA I. The study of knitted fabric thermal insulation using thermography and finite volume method[J]. Textile Research Journal, 2017, 87(6): 1-14.
[8] PUSZKARZ A K, KRUCINSKA I. Modeling of thermal performance of multilayer protective clothing exposed to radiant heat[J]. Heat and Mass Transfer, 2020, 56: 1767-1775.
doi: 10.1007/s00231-020-02820-1
[9] 张艺强, 陈扬, 范艳娟, 等. 空气层对织物热传递影响的模拟分析[J]. 浙江理工大学学报, 2017, 37(5): 616-620.
ZHANG Yiqiang, CHEN Yang, FAN Yanjuan, et al. Simulation analysis of the influence of air layer on fabric heat transfer[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University, 2017, 37(5): 616-620.
[10] 丛杉, 张玥, 马明明. 防寒服面料与填料设计探析[J]. 山东纺织科技, 2015, 56(2): 30-34.
CONG Shan, ZHANG Yue, MA Mingming. Discussion on the design of cold-proof clothing fabric and filler[J]. Shandong Textile Science & Technology, 2015, 56(2): 30-34.
[11] 孙莉, 杨莉, 袁惠芬. 基于正交试验的羽绒服保暖性的研究[J]. 武汉纺织大学学报, 2015, 28(6): 50-54.
SUN Li, YANG Li, YUAN Huifen. Research on the warmth retention of down jacket based on orthogonal test[J]. Journal of Wuhan Textile University, 2015, 28(6): 50-54.
[12] 何雨. 羽绒服保暖性的测试与评价[D]. 上海: 东华大学, 2020:14-20.
HE Yu. Test and evaluation of the warmth retention of down jackets[D]. Shanghai: Donghua University, 2020:14-20.
[13] 付贤文. 羽绒纤维集合体的导热分形模型[D]. 上海: 东华大学, 2010:35-36.
FU Xianwen. Heat conduction fractal model of down fiber aggregate[D]. Shanghai: Donghua University, 2010:35-36.
[14] 纪昭君. 羽绒服充绒因素与绗缝缩率关系的研究[D]. 上海: 东华大学, 2019:15-16.
JI Zhaojun. Research on the relationship between down jacket filling factors and quilting shrinkage[D]. Shanghai: Donghua University, 2019:15-16.
[15] 高晶. 羽绒纤维集合体的结构与性能研究[D]. 上海: 东华大学, 2006:71-85.
GAO Jing. Research on the structure and properties of down fiber assembly[D]. Shanghai: Donghua University, 2006:71-85.
[16] 秦臻. 传热学理论及应用研究[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2016: 33-36, 109.
QIN Zhen. Research on the theory and application of heat transfer[M]. Beijing: China Water Power Press, 2016: 33-36, 109.
[17] 郑晶晶. 冬季用围巾保暖性能评价[J]. 纺织学报, 2017, 38(12): 129-134.
ZHENG Jingjing. Evaluation of the warmth retention performance of winter scarves[J]. Journal of Textile Research, 2017, 38(12): 129-134.
[18] 吴佳佳, 唐虹. 应用ABAQUS的织物热传递有限元分析[J]. 纺织学报, 2016, 37(9): 37-41.
WU Jiajia, TANG Hong. ABAQUS based finite elementanalysis of heat transfer through woven fabrics[J]. Journal of Textile Research, 2016, 37(9): 37-41.
[19] 陆英, 王黎明, 张振华, 等. 羽绒纤维的结构及理化性能研究进展[J]. 上海纺织科技, 2015, 43(11): 6-8.
LU Ying, WANG Liming, ZHANG Zhenhua, et al. Research progress on the structure and physical and chemical properties of down fibers[J]. Shanghai Textile Science & Technology, 2015, 43(11): 6-8.
[1] 吴黛唯, 黄家成, 王云仪. 服装形变对羽绒服隔热能力的影响[J]. 纺织学报, 2022, 43(09): 167-174.
[2] 牛雪娟, 徐妍慧. 不同流通间隙排布条件下碳纤维束展纤行为研究[J]. 纺织学报, 2022, 43(06): 165-170.
[3] 肖琪, 王瑞, 张淑洁, 孙红玉, 王静茹. 基于ABAQUS的涤/棉混纺机织物起球过程有限元仿真[J]. 纺织学报, 2022, 43(06): 70-78.
[4] 张文欢, 李俊. 低热辐射环境中消防服系统内热传递机制的研究进展[J]. 纺织学报, 2021, 42(10): 190-198.
[5] 王慧云, 王萍, 李媛媛, 张岩. 中空多孔异形聚丙烯腈纤维的制备及其性能[J]. 纺织学报, 2021, 42(03): 50-55.
[6] 孙亚博, 李立军, 马崇启, 吴兆南, 秦愈. 基于ABAQUS的筒状纬编针织物拉伸力学性能模拟[J]. 纺织学报, 2021, 42(02): 107-112.
[7] 戴宁, 彭来湖, 胡旭东, 崔英, 钟垚森, 王越峰. 纬编针织机织针自由状态下固有频率测试方法[J]. 纺织学报, 2020, 41(11): 150-155.
[8] 王秋萍, 张瑞萍, 李成红, 张葛成. 导电涤纶非织造布的制备及其性能[J]. 纺织学报, 2020, 41(10): 116-121.
[9] 马颜雪, 王世娜, 李毓陵, 温润. 方格立衬结构机织物的一次成形设计实践[J]. 纺织学报, 2020, 41(06): 42-47.
[10] 苏文桢, 卢业虎, 王方明, 宋文芳. 新型充气夹克的研制与保暖性能评价[J]. 纺织学报, 2020, 41(05): 140-145.
[11] 丁宁, 林洁. 非稳态自然对流换热系数计算方法及其在防护服隔热预报中的运用[J]. 纺织学报, 2020, 41(01): 139-144.
[12] 郑振荣, 智伟, 韩晨晨, 赵晓明, 裴晓园. 碳纤维织物在热流冲击下的热传递数值模拟[J]. 纺织学报, 2019, 40(06): 38-43.
[13] 万爱兰, 缪旭红, 马丕波, 陈晴, 陈方芳. 功能性纬编斜纹牛仔面料的设计及其性能[J]. 纺织学报, 2019, 40(04): 55-59.
[14] 刘新华 储兆洋 李永 郑宏亮. 仔鸭鸭绒的结构与性能[J]. 纺织学报, 2018, 39(08): 27-32.
[15] 陈丽丽 楼利琴 傅雅琴. 木棉纤维/棉混纺织物结构参数对其保暖透气性影响[J]. 纺织学报, 2018, 39(06): 47-51.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 赵良臣;闻涛. 旋转组织设计的数学原理[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 33 -34 .
[2] 曹建达;顾小军;殷联甫. 用BP神经网络预测棉织物的手感[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 35 -36 .
[3] 【作者单位】:中国纺织工程学会秘书处【分类号】:+【DOI】:cnki:ISSN:0-.0.00-0-0【正文快照】:  香港桑麻基金会设立的“桑麻纺织科技奖” 0 0 年提名推荐工作;在纺织方面院士;专家和有关单位的大力支持下;收到了 个单位 (人 )推荐的 位候选人的. 2003年桑麻纺织科技奖获奖名单[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 107 .
[4] 【分类号】:Z【DOI】:cnki:ISSN:0-.0.00-0-0【正文快照】:  一;纺 纱模糊控制纺纱张力的研究周光茜等 ( - )………………原棉含杂与除杂效果评价方法的研究于永玲 ( - )……网络长丝纱免浆免捻功能的结构表征方法李栋高等 ( - )……………. 2003年纺织学报第二十四卷总目次[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 109 -620 .
[5] 朱敏;周翔. 准分子激光对聚合物材料的表面改性处理[J]. 纺织学报, 2004, 25(01): 1 -9 .
[6] 黄立新. Optim纤维及产品的开发与应用[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 101 -102 .
[7] 邓炳耀;晏雄. 热压对芳纶非织造布机械性能的影响[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 103 -104 .
[8] 张治国;尹红;陈志荣. 纤维前处理用精练助剂研究进展[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 105 -107 .
[9] 秦元春. 纺织工业发展方向初探[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 108 -110 .
[10] 高伟江;魏文斌. 纺织业发展的战略取向——从比较优势到竞争优势[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 111 -113 .