基于纱线交织结构的织物热传递数值模拟

The fabric texture has an important effect on its heat transfer property. Previous research shows that the processes of heat transfer was usually investigated by finite volume method, the triangle and quadrilateral elements in ANSYS were usually defined to simulate the structure of fabric, which usually were regarded as uniform plate. Rectangular subdivision for fabric was used in finite difference method. There is large difference between the elements of uniform plate and fabric structure, thus, the simulating accuracy is considerably discounted. However, the basic problem of numerical experiments is accuracy. TexGen software developed by University of Nottingham will be adopted to design the heat transfer element for fabric materials in this project. Then the element data were transferred to the ANSYS by interface file. Temperature distribution in the fabric will be obtained by solving the energy equation. Based on this theoretical model, optimization of fiber distribution, fabric structure and the porosity of fabric will be studied using the optimization theory and response surface method in this project. Simulating the process of heat transfer using mathematical model and numerical method can provide the theoretical basis of development of insulating materials. The model, once completed, should provide a powerful tool for insulating fibrous product designs and thermal performance optimizations.

织物的组织结构与其热传递性能有很大关系，在探讨织物的组织结构与热传递关系时，一般采用ANSYS软件内置的单元模型如三角形、四边形等模拟织物结构，将织物材料简单看作匀质平板，用有限差分法将求解区域进行矩形剖分，该方法模拟的织物结构与织物实际几何结构相差较大，影响织物传热性能模拟的准确性。本课题结合纱线结构物理参数，设计纱线交织织物的三维立体单元，运用接口文件结合有限体积法及有限元方法进行数值模拟，通过解热传递的能量方程，得到纤维织物内的温度场分布。基于该理论模型，再结合最优化理论、曲面响应等方法改进纤维分布规律、织物组织及孔隙率等参数，设计具有更好隔热性能的织物。利用数值模拟方法对纤维基多孔材料的热传递性能进行模拟，可为各种纤维隔热产品的设计、隔热性能的评估和优化等提供重要的理论基础。

目前开发一种热防护织物，往往采用试验的方法，该方法获得的结果真实，但试验流程长，成本高，测试过程耗能高且释放烟毒。利用数值方法来模拟织物内的热传递具有极其重要的作用，符合国家节能低碳环保的发展趋势。主要研究内容及重要结果如下：.（1）设计并织造系列玻璃纤维织物，利用试验的方法获得织物组织、厚度、密度、纱线细度等对其传热影响的规律；基于纱线的交织结构建立玻璃纤维平纹、斜纹、锻纹和双层织物的三维几何模型，所建模型均能反映各织物的真实三维结构。将织物三维模型传递给有限元软件，分别定义织物域和空气域，求解织物内的温度场分布，建立起织物的数值传热模型，与试验值对比，对织物传热数值模型进行修正。在纱线型号，经密和纬密相同的情况下，玻璃纤维织物的平均浮长线越长，织物内含有的静止空气越多，隔热性越好；筛选出组织为3/3斜纹、经密160根/10cm，纬密100根/10cm，纱线280tex的玻璃纤维织物为隔热性能较优；各织物的数值传热模拟结果与试验结果非常接近，能够真实的反映织物的传热规律。. （2）对玻璃纤维织物涂覆自制高性能有机硅树脂，制备出具有隔热耐烧蚀耐高温作用的热防护织物，利用织物传热数值模型对涂层厚度进行优化，已具有产品并获奖；涂层液的配方为：在苯甲基有机硅树脂溶液中，添加各类填料的较优质量分数为白炭黑10-12%、云母粉5-8%、硅灰石粉2-5%、三氧化二铁2-5%。织物在900℃火焰下烧蚀，当涂层厚度低于0.5mm时，随着烧蚀时间的延长，织物背面的温度保持在510℃；当涂层厚度由0.75mm增加到2mm，织物的隔热效果逐渐增加，0.75 mm, 1.00 mm, 1.50 mm和 2.00 mm 的涂层织物背面的温度分别保持在489 ºC, 455 ºC, 369 ºC 和 281 ºC。为涂层织物复合一定厚度的玻璃纤维毡，可显著提高织物的隔热性能，当纤维毡厚度为12mm时，烧蚀20s后织物背面的温度只有28℃。. （3）将本项目建立的织物传热模型应用于涂层织物和输油管道保温织物的传热过程模拟；建立涂层织物的数值传热模型，并将其应用到涂层厚度的工艺优化，获得了涂层厚度对织物传热性能影响的规律；建立起输油管道包覆的隔热保温材料的传热数值模型，预测原油在输送过程中热量的变化，预测值与实测值较为接近。