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非稳态条件下多相多孔纤维材料热传递性能分析

作　者: 田明伟
导　师: 朱苏康；潘宁
学　校: 东华大学
专　业: 纺织工程
关键词: 多相多孔纤维材料局部热平衡状态多层织物传热模型层叠复合材料隔热性能组分排列顺序影响
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

多相多孔纤维材料不仅由于其具有御寒保温、透气散热的作用在服装领域中得到广泛应用,而且随着各类高性能纤维及其产品的出现,其应用范围已拓展到各类工程应用领域。在各类高低温极端环境下(如高温火场、瞬态热刺激和极端低温等),纤维材料通常处于非稳态热传递过程,其内部热传递方式变得复杂和多变,所以对非稳态条件下热传递性能的定量分析将有助于更好地认识和设计各类多相多孔纤维材料。本课题根据多孔介质传热传质、局部热平衡状态等理论,通过实验测试、数值模拟和解析法求解等研究方法,分析了纤维材料内各相热传导过程、纤维材料等效热物性参数测试方法以及热物性参数在各类非稳态热传递过程中的应用等问题。本课题研究的主要工作和结论包括：(1)利用局部热平衡理论和非傅里叶传热理论建立多相多孔纤维的传热模型,计算非稳态热传导条件下各相介质的温度方程,建立评定多相系统局部热平衡状态的标准；认为在大多数使用环境下,纤维材料近似处于局部热平衡状态,热源强度、边界条件类型及试样热物性参数是影响试样局部热平衡状态的重要因素。(2)根据纤维材料热物性参数测试基本原理,搭建非稳态测试装置；分析非理想热源、边界漏热和热源热量等级等因素对此装置的影响并验证了装置的准确性。此装置可以较准确地测量纤维材料集合体“纯粹”的导热系数、热扩散系数和体积热容等热物性参数。(3)以层叠复合材料为研究对象,利用Green函数法求解多层试样非稳态热传导方程。以双层材料和三明治材料为例,利用热传导方程预测排列顺序对层叠复合材料温度响应的影响,并用实验测试方法验证了此理论预测方程的准确性；结果表明排列顺序对双层材料的热响应无影响；当三明治材料的夹心层为同一种材料时排序对系统的热响应也无影响,若夹心层为不同材料,排列顺序对系统有明显影响。(4)研究多层纤维材料集合体排序对其复杂传热过程的影响,通过数值模拟和实验验证两种方法分析排序对材料隔热性能的影响,并考虑纤维材料内部自然对流和边界漏热对测试结果的影响。结果表明,与热源接触的试样层对系统的隔热性能有决定性作用,其体积热容是决定整个系统隔热性能好坏的首要热物性参数。(5)建立合理的多层纤维材料与皮肤接触的传热理论模型,提出描述多层纤维材料对皮肤冷刺激的三个特征参数(热流峰值qmax,感知时间tmax和稳态热流q0),其中热流峰值qmax和感知时间tmax两个参数用于描述瞬态阶段冷刺激,稳态热流qo描述稳态阶段冷刺激。通过分析可知,在瞬态和稳态两个传热阶段,织物厚度对材料的冷刺激均有影响,试样厚度越小,感知时间较早出现且冷刺激较明显；内层织物是影响瞬态阶段两个参数的主要因素,外层织物的影响可以忽略,当进入稳态阶段后,内外层织物的影响同等重要；此外,多层纤维材料的排列顺序同样是影响特征参数的重要因素,不同排列顺序的试样在瞬态阶段的接触冷暖感不同,而进入稳态阶段后,排序将不再起作用。此模型可作为冬季被褥及内衣服装材料的选取和设计的理论基础。通过对本课题的研究,可以根据本文提出的标准定量分析在传热过程中多相纤维材料内部各相的局部热平衡状态,从微观层面上认知各相之间的传热机理；可以通过非稳态测量装置准确获取纤维材料多个等效热物性参数；根据对几种非稳态传热案例的理论分析和实验测试,表明了热物性参数对描述各类传热过程的重要作用。总之,本课题为更好地、更深入地研究纤维材料的热物理性能,开发隔热、保温纺织产品和预测多层材料传热性能等方向提供了重要的理论支撑。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
目录  11-14
第一章前言  14-30
  1.1 多孔介质热质传递研究进展  14-18
    1.1.1 多孔介质结构及其热质传递性质  14-16
    1.1.2 多孔介质传热方式综述  16-18
  1.2 多相多孔纤维材料内部传热机理分析  18-21
    1.2.1 非傅里叶热传递现象分析  18-19
    1.2.2 多相纤维材料局部热平衡状态  19-20
    1.2.3 热物性参数对表征纤维材料热传递过程的重要性  20-21
  1.3 纤维材料传热性能评定方法  21-27
    1.3.1 连续介质热传导理论分析及其热物性参数测试方法  22-24
    1.3.2 纤维材料环境评定方法  24-26
    1.3.3 纤维材料热物性参数的理论预测和实验测试  26-27
  1.4 本文研究内容  27-30
第二章纤维材料热传递过程分析及热物性参数非稳态测试方法介绍  30-62
  2.1 纤维材料多相热传递理论模型建立与求解  30-36
    2.1.1 传热模型控制方程  30-32
    2.1.2 传热模型边界条件  32-33
    2.1.3 传热模型求解  33-36
  2.2 纤维材料局部热平衡状态评价标准及其影响因素分析  36-47
    2.2.1 纤维材料局部热平衡状态评价标准  36-39
    2.2.2 边界条件、热源类型对试样局部热平衡状态影响  39-42
    2.2.3 试样热物性参数和结构对其局部热平衡状态影响  42-47
  2.3 纤维材料热物性参数非稳态测试方法建立  47-60
    2.3.1 纤维材料热物性参数测试基本原则  47-50
    2.3.2 测量装置传热模型建立和求解  50-52
    2.3.3 非稳态测量装置建立  52-53
    2.3.4 测量装置精确度影响因素分析  53-57
    2.3.5 测量装置准确性实验验证  57-58
    2.3.6 纤维材料热物性参数测试  58-60
  2.4 小结  60-62
第三章排列顺序对层叠复合材料热响应的影响  62-76
  3.1 层叠复合材料非稳态传热模型建立与求解  63-68
    3.1.1 非稳态传热模型的建立  63-64
    3.1.2 传热模型数学推导及求解  64-68
  3.2 理论预测排列顺序对层叠复合材料的影响  68-71
    3.2.1 双层材料传热模型  68-70
    3.2.2 三明治材料传热模型  70-71
  3.3 实验测试验证理论预测结果  71-74
    3.3.1 测试装置  71-72
    3.3.2 双层材料实验测量结果  72
    3.3.3 三明治材料实验测试结果  72-74
  3.4 小结  74-76
第四章非稳态条件下多层纤维材料复合体隔热性能评价  76-88
  4.1 多层纤维材料复合体隔热性能实验测试  76-80
    4.1.1 实验测量装置及试样准备  77-79
    4.1.2 试样结构的假设和简化  79-80
  4.2 多层纤维材料复合体传热模型建立和隔热性能预测  80-82
  4.3 结果分析  82-87
  4.4 小结  87-88
第五章多层纤维材料对皮肤冷刺激理论分析  88-106
  5.1 多层纤维材料冷刺激理论模型  89-97
    5.1.1 传热理论模型假设和简化  90
    5.1.2 传热理论模型数学求解  90-95
    5.1.3 人体皮肤冷暖感系统的生理机理  95-97
  5.2 评定纤维材料冷刺激的重要特征参数  97-98
  5.3 影响因素分析和讨论  98-104
    5.3.1 织物厚度的影响  98-100
    5.3.2 织物热物性参数的影响  100-102
    5.3.3 织物排列顺序的影响  102-103
    5.3.4 皮肤和皮下脂肪厚度的影响  103-104
  5.4 小结  104-106
第六章结论与展望  106-108
  6.1 主要结论  106-107
  6.2 进一步工作的展望  107-108
参考文献  108-120
附录  120-122
攻读学位期间发表的学术论文与研究成果  122-124
致谢  124

非稳态条件下多相多孔纤维材料热传递性能分析

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