服装工效系统热湿耦合的非线性特性.pdf
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1、第2 6 卷第3 期 2 0 0 5 年6 月 纺织学报 J o u m a lo f7 r e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 6 N o 3 J u n ,2 0 0 5 服装工效系统热湿耦合的非线性特性 何超英1 ,李栋高2 ( 1 苏州大学物理科学与技术学院,江苏苏州2 1 5 0 0 6 ;2 苏州大学材料工程学院,江苏苏州2 1 5 0 2 1 ) 摘要将热力学方法运用于人体服装一环境工效系统的研究,运用非平衡热力学中力与流的关系来描述系统中 服装传热与传湿之间的耦合,并通过出汗暖体躯干的实验测试获得与热湿耦合有关的数据,所得到的规律表明该 热湿耦
2、合有非线性关系。实验数据说明服装的热湿耦合是不可忽略的。 关键词传热;传湿;热湿耦合;非线性 中图分类号:偈9 4 1 1文献标识码:A文章编号:0 2 5 3 9 7 2 “2 0 0 5 ) 0 3 0 0 4 8 0 4 N o I l l i n e a rp r o p e r 够o nc 伽p I e dh e a ta n dm o i s t I l r et 均m I f e r i nc l o t h j n ge r g o n 佃f l i c ss y s t e m H EC h a o y i n 9 1 ,L ID o n 争g a 0 2 ( 1 s c 幻
3、o Z 矿P 7 咿如口fS c 据,黜死如加冶y ,S 0 0 c o l ,研龇r s 妙,S L 篮幻“,泐垮u 2 1 5 0 0 6 ,既讥口; 2 蹴o o Z 矿讹把蒯E 嚼袱 n g ,s o D c 幻t I 咖洒玷蚵,S m D n ,胁学 2 1 5 0 2 1 ,C 讹) A b s t m c t 1 1 1 e 1 1 e 瑚o d y n a m j cm e h o dw a sa p p l j e dt oe r g o n o m i c ss y s t e mo fh 啪锄b o d y - c l o t h i n g - e n v i 册n m
4、 e n n ec o u p l e dh 髓t a n dm o i s t u r et r a n s f e ri nc l o t h i n gw a sd e s c r i b e db yt 1 1 er e l a t i o nb e t w e e nt l l e 珊o d y n 锄i c ss t r e r g t l la n dt I I e 珊o d y n 啪i c 8n o wi nn o n e q u i l i b r i u mt h e n n o d y n a m i c ss y s t e m S w e a t i n gm a
5、n i k i ne q u i p m e n tw 鹊u s e dt oo b t a i nr I o n l i n e 盯r e l a t i o no fc o u p l e de f f e c t T h ed a t a o fm e a s u r e m e n te x p l a i n 山a tt h ec o u p l e de a e c ti nc l o t I l i n gs h o u l dn o tb eI l e d e c t e d K e yw o r d sh e a tt r a n s f e r ;m o i s t u r
6、 es p r e a d ;c o u p l e dh e a ta J l dm o i s t u r et r a I l 8 f e r ;r l o n l i n e 盯 1 服装工效系统的热力学特性 1 1 服装热湿耦合特性 在服装热、湿舒适性研究中,借助暖体假人或暖 体躯干这样的工效模型来研究服装及面料的热、湿 性能是一种实用可行的研究手段。舒适性研究是 人类工效学研究的一个新领域,服装的散热散湿性 能直接影响着装的舒适性,故可将人体、服装、环境 这一工效系统视为一个热力学系统。从热力学的角 度来考虑,人体的热湿交换有典型的非线性特征,那 么人体工效系统中服装传热传湿间的耦
7、合是否也是 非线性呢? 首先可定性地分析服装热湿耦合过程, 服装面料是一种多孔材料,多孔材料的框架是柔性 纤维材料,纱线之间和纤维之间存有空气,服装面料 含有空气的多少常用孔隙率e 来表示,纺织面料的 孔隙率e 约为O 6 O 9 。服装面料的传热、传湿有 其特殊性,即纤维材料有吸湿和放湿的能力,纱线间 以及纤维间的孔隙能传递液态水和气态水,若在传 湿的过程中伴有相变,空气就会吸放相当的热量,这 是一种形式的热湿耦合,因为相变时可以无温差。 空气中饱和水蒸气压力与温度之间的关系是非线性 的,这就决定了有相变的传热、传湿之间的耦合是非 线性的,人体有显汗时服装的传热、传湿就是如此, 非感知排汗时
8、服装传热、传湿间的耦合也与此相似。 在无相变的传湿过程中,由于水分子是极性分子,且 空气与水蒸气不能以任何比例混合共存,这使得热 湿之间的耦合趋向非线性。为揭示服装传热传湿及 其耦合的内在联系,可采用实验的方法对系统进行 定量研究旧。 1 2 服装热湿耦合的线性描述 在对热力系统进行研究时,平衡态热力学方法 是一种简单的热力学方法。当热力学系统处于平衡 时,依据守恒原理可推导出有关平衡系统和可逆过 程中状态参数之间的关系。系统平衡时,系统的热 力学力和热力学流都为零,系统处于宏观静态。对 于热力过程的描述,则要引入准静态过程和可逆过 程的模型,准静态模型适用于以气体为工质的热力 系统,这是因为
9、气体工质的弛豫时间很短,由气体工 作者简介:何超英( 1 9 5 8 一) ,男,汉,副教授。主要研究方向为热能空调理论及应用。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 2 0 0 5 年第3 期纺织学报【4 9 】 质构成的热力系统在热力学力和热力学流都变为零 之后,能在很短的时间内恢复平衡。但准静态和可 逆过程条件的获得在热力系统中有相当大的局限 性。在热力系统中常常会遇到热力学力和热力学流 不为零的情况,这时就需要运用非平衡热力学来描 述和研究存有热
10、力学力和热力学流的非平衡系统。 热力学流的存在使得热力过程为不可逆过程,介质 中的传热、传湿就是典型的不可逆过程。介质的传 热、传湿可分别由F o u d e r 定律和F i c k 定律来描述: L = 一A g r a d F ( W m 一。)( 1 ) L = 一D g r a d C( k g m 一2 s 一1 ) ( 2 ) 式中L 、,。为传递的热力学热流和湿流;A 、D 分别 为导热系数和传质系数;r 为物质的绝对温度;c 为 空气的绝对湿度。传热、传湿既可能是稳态的,也可 能是非稳态的,即物理量场随时间不变化或变化。 对单一稳态非平衡过程,热力学流,与热力学力x 之间的关
11、系可表示为 ,= ,( x ) = - ,。( x 。) + l 并) ( x x 。) + 丢( 筹) 。( x 一剐2 + ( 3 ) 当系统处于平衡态时,系统的热力学力和热力 学流都为零,而当系统偏离平衡态很少时,式中含x 的高次幂可以忽略,式( 3 ) 可表达为 l ,:I 筹lx :埘 ( 4 ) 、uA ,0 这是系统偏离平衡态后热力学流与热力学力的线性 表达式,比例系数称为唯象系数心o 。 当介质中同时存在着传热和传湿的现象时,湿 度梯度对传热有附加影响,即湿度梯度能引起热流 ( D u f o u r 效应) ;同样温度梯度也能引起湿流( s o r e t 效 应) ,这被称
12、为传热与传湿间的耦合。当热力学力 置、x 。较弱时,系统偏离平衡态很小,有耦合的热 力学流与热力学力的关系常用下式表示 Jq = L X q + L 1 2 x 。0 5 ) ,。= 工2JX 。+ 2 2X 。 ( 6 ) 式中。:为质导热系数;:。为热传质系数;耦合系数 。:与。,满足o n s a g e r 倒易关系;x 。、瓦分别为传递 热、湿的热力学力。式( 5 ) 、( 6 ) 适用于各向同性的均 匀介质。当系统偏离平衡态较远时,式( 3 ) 中的2 次 幂项就不能忽略,此时热力学力与热力学流之间的 关系呈非线性关系。 1 3 服装热湿耦合的非线性描述 在服装的传热、传湿过程中,
13、人体表面的微环境 与服装外侧环境之间存在明显的温差和湿差,在显 热传递过程中传热热量与温差或温度梯度有关,因 此可将显热传热量表达为温差或温度梯度的函数。 考虑到热湿耦合的非线性,式( 5 ) 中的耦合系数,: 被函数厂( c ) 所取代,传湿量的表达也与此相似,传 热、传湿的热力学流与热力学力之间的关系表达为 厶= ,。瓦+ 厂( c ) x 。 ( 7 ) L = ,( r ) X 。+ 丝鼠( 8 ) 式中热力学力x 。、x 。形式的选择可有多种,对于非 线性关系式,热力学力可以取相应物理量场的梯度, 这里更关注热、湿耦合的非线性,厂( C ) 、厂( 丁) 分别是 绝对湿度、绝对温度的
14、函数。它是耦合非线性的体 现,厂( c ) 、厂( r ) 的具体形式必须以一组实验数据的 回归来获得。回归时将函数的形式写成 ,( C ) = o o + 0 1C + 0 2 C 2 ( 9 ) 厂( r ) = 6 0 + 6 lr + 6 2 严 ( 1 0 ) 称厂( c ) 为湿耦合函数,厂( r ) 为热耦合函数,加上 、丝二个系数共有8 个待定系数,通常求解上述 方程的一组数据需要8 个独立的实验来完成,但由 于式( 7 ) 和式( 8 ) 是非线性表达式,两式之间不存在 倒易关系,若以式( 9 ) 和式( 1 0 ) 的形式回归,式( 7 ) 与 式( 8 ) 是相互独立的,
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- 服装 工效 系统 耦合 非线性 特性
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