基于渗流理论的中空纤维多孔材料内外耦合传热机理研究

Porous fibrous materials are widely used as a filler for cold-proof textiles which are used in outdoor or polar regions due to their lightweight and thermal property. Therefore, it is of interest to study the heat transfer mechanism of fibrous porous materials and realize the optimal preparation of cold-proof textiles. In the extremely cold environment, the heat exchange between human body and the environment will be significantly increased induced by relative wind resulting in air penetration through the fabric to microclimate air trapped between skin and fabric. However, the interaction between the forced convection and fabric is still unclear. In this study, the influence of structure on the internal heat transfer is explored using the porous hollow fiber. Then a mathematical model including the heat conduction and heat convection is constructed and solved by a numerical simulation method. Besides, the regression method is used to develop the predictive model. Finally, the relationship between physical properties and the structure of fiber and thermal performance under different external convection will be explored. This study can help deeply understand the heat transfer mechanism and the influence factors of porous fibrous materials. Furthermore, the study will be a theoretical foundation and technical support for the development of new thermal insulation fibers and the design of thermal insulation textiles.

纤维多孔材料由于轻质、保暖等特性，常被作为一种理想的填充料而广泛应用于冬季户外、极地等低温环境下的防寒用纺织品。因此，研究纤维多孔材料的传热机理，实现防寒纺织品的优化制备具有重要的理论意义和应用价值。在极寒环境下，外部强对流会使纤维多孔材料内部孔隙的空气渗流加剧，但目前两者之间的作用机制尚不明晰。本项目基于渗流理论探究结构特征对纤维多孔材料传热过程的影响规律；构建包含渗流传热与导热的数学模型，并引入对外部对流换热的考虑，进而运用数值模拟的方法对传热数学模型求解；形成纤维多孔材料散热量的预测模型，探究不同外部对流环境下纤维物理特性和堆砌结构与热学性能的关系。项目研究成果不仅有助于深入认识纤维多孔材料的传热机理和影响因素，且为新型保暖纤维的高效研制和防寒纺织品保温性的定量设计提供理论基础和技术支撑。

纤维多孔材料内部传热过程与原材料性能和纤维堆砌结构、环境风速和温度等因素高度相关，因此通过研发新型保暖纤维和优化纤维堆砌结构，实现多孔材料保暖性的提升一直是纺织科学领域的研究热点和难点，关键之一是掌握其内部复杂的传热机理。当前研究主要考虑纤维多孔材料内部热传导和热辐射，常常忽略纤维间空气渗流传热作用，而且对于外部气流对纤维多孔材料内部传热的影响也鲜有研究。本项目主要研究内容包括：（1）探究纤维物理特性和堆砌结构对其内部传热的影响规律；（2）基于渗流理论，在考虑内部渗流传热与导热耦合作用基础上，构建纤维材料的传热数学模型，阐明纤维多孔材料内外耦合传热机理；（3）动态模拟不同环境和堆砌结构下的内外温度场和空气流动的速度场，揭示其热能耗散机理。研究结果表明：纤维中空度、厚度、孔隙率等参数对多孔材料的隔热性能具有显著影响；通过建立包含纤维物理特性、堆砌结构以及环境条件的渗流传热模型，分析了不同结构特征、温度和风速下纤维多孔材料传热性能的变化规律，明确了这些参数与多孔材料内部气体流动的内在关联，并进一步探究了对隔热性能的影响规律；通过模拟纤维多孔材料在不同环境和堆砌结构下的内外温度场和空气流动的速度场，建立了散热量的预测模型。项目研究成果将对纤维多孔材料保暖性的定量设计提供理论和技术的⽀撑。