Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Обзор литературы 11
1.1 Теплообмен в текстильных материалах 11
1.2 Методы определения теплофизических характеристик текстильных материалов 22
1.2.1 Экспериментальные методы 24
1.2.2. Расчетные методы 36
1.3 Анализ и достоверность данных о теплофизических свойствах трикотажа 40
Выводы и постановка задачи 56
ГЛАВА II Объекты и экспериментальные методы исследования. 59
2.1. Описание трикотажа главных переплетений. Объекты исследования. 59
2.2 Теоретическое обоснование эксперимента по определению теплофизических характеристик текстильных материалов методом двух температурно- временных интервалов 68
2.3. Установка для определения теплофизических свойств трикотажа 72
2.4. Методика обработки экспериментальных данных 74
2.5 Усовершенствование прибора и методики 79
ГЛАВА III. Численное моделирование теплопередачи в трикотаже 80
3.1. Основные соглашения, обозначения и определения 81
3.2. Требования к физической модели объекта исследования. 84
3.3. Формулировка математической модели процесса 86
3.4. Метод численного решения на ЭВМ. 88
3.4.1. Метод построения разностной схемы 88
3.4.2. Метод решения алгебраических уравнений 89
3.5. Дискретизация и обезразмеривание уравнений 90
3.6. Алгоритм и программная реализация. 94
3.7. Тестовые численные эксперименты 97
3.8 Порядок проведения расчетов 100
3.9. Выводы 101
ГЛАВАІV. Исследование геплопроводности пряжи 102
1.1 Принципиальная схема методики. 103
1.2 Разработка методики определения теплопроводности пряжи 104
4.3 Порядок измерения эффективной теплопроводности пряжи . 105
4.4. Определение эффективной теплопроводности пряжи. 109
4.5. Выводы: 115
ГЛАВА V. Разработка и апробация метода прогнозирования эффективной теплопроводности трикотажных полотен 116
5.1 Общая схема исследования трикотажных полотен 116
5.2 Экспресс- методики определения геплопроводности трикотажных полотен. 127
5.3 Пример расчета теплопроводности глади и ластика по экспресс методике 128
5.4. Экспериментальная проверка точности метода 130
5.5 Выводы 136
Общие выводы по работе 137
Библиографический список 139
Приложение N1 145
- Анализ и достоверность данных о теплофизических свойствах трикотажа
- Теоретическое обоснование эксперимента по определению теплофизических характеристик текстильных материалов методом двух температурно- временных интервалов
- Дискретизация и обезразмеривание уравнений
- Порядок измерения эффективной теплопроводности пряжи
Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время трикотажные изделия широко используются в одежде бытового и специального назначения, а также в специальных технических изделиях. В соответствии с их функциональной применимостью, для обеспечения комфортных тепловых ощущений при эксплуатации этот ассортимент одежды должен обладать определенным уровнем теплозащитных свойств (ТЗС).
Помимо чисто гигиенических аспектов интерес к ТЗС трикотажных материалов со стороны материаловедов-текстильщиков, товароведов, врачей-гигиенистов, физиологов и т.д. объясняется проблемами экономического характера. Решение проблемы оптимизации ТЗС одежды позволяет рационально использовать сырье и соответственно экономить энергоресурсы.
ТЗС одежды в значительной степени определяются тешюфизическимн характеристиками текстильных материалов, из которых изготавливается эта одежда. Определяющей теплофизической характеристикой является теплопроводность.
Современное трикотажное производство позволяет вырабатывать полотна разнообразных переплетений с использованием различного сырьевого состава. Достижение требуемого показателя ТЗС полотен достигается путем эмпирического подбора пряж и структурных характеристик, что является трудоемкой и дорогостоящей задачей, т.к. необходимо вырабатывать полны»
набор образцов всех переплетений со всеми видами пряж и производить натуральный эксперимент. С другой стороны, развитие компьютерных технологий снижает стоимость численных экспериментов и делает доступным проведение их в производственных условиях. Численные методы прогнозирования эффективной теплопроводности трикотажных полотен отсутствуют.
Работа проводилась в рамках федеральной государственной программы Мин. Обр. РФ "Научное исследование методов анализа структуры трикотажа с целью прогнозирования его тепломассообменных и деформационных характеристик", ЛЕНТЕК 1.7.
Цели и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен на основе численного моделирования теплопередачи в них. Для достижения цели поставлены следующие задачи:
разработать методику определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формы;
определить значения эффективной теплопроводности трикотажной пряжи;
разработать общую методику прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого
состава, позволяющую создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств. - разработать программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетения рассчитать поля температур и эффективную теплопроводность материала;
Методы исследования.
В диссертационной работе использован математический аппарат теории теплопроводности. Математическое моделирование выполнено на базе вычислительной техники широкого применения с использованием систем для инженерных расчетов и алгоритмических языков программирования.
Экспериментальное исследование проводилось на установке реализующей метод двух температурно-временных интервалов, находящейся на кафедре «Безопасности жизнедеятельности» (бывшая кафедра «Теплотехника») Санкт-Петербургского Государственного Университета технологии и дизайна.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана методика определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формы.
Усовершенствована методика измерения теплопроводности на основе метода 2-х температурно-временных интервалов.
Разработана универсальная методика прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава, позволяющая создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств, экспериментально проверена ее точность.
Впервые получены поля температур внутри трикотажных структур ластика 1+1 и глади.
Установлены количественные соотношения, связывающие эффективную теплопроводность основных видов трикотажных переплетений с теплопроводностью пряж, из которых они изготовлены.
Разработаны программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетения рассчитать поля температур и эффективную теплопроводность материала.
Практическая значимость:
разработана методика определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формации;
усовершенствована методика измерения теплопроводности на основе метода 2-х температурно-временных интервалов
найдены значения эффективной теплопроводности пряж, используемых в трикотажном производстве;
&
- разработана универсальная методика прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава, позволяющая создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств, экспериментально проверена ее точность;
-предложены интерполяционные формулы для расчета эффективной теплопроводности главных трикотажных переплетений - кулирная гладь и ластик 1+1, позволяющие оптимизировать сырьевой состав трикотажных полотен.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
-Текстильном коллоквиуме. Оценка и прогнозирование текстильных свойств текстильных материалов. Доклад "Прогнозирование теплозащитных свойств трикотажа". Санкт-Петербург, 16 октября 1996г.
-Научно-технической конференции "Дни науки" . Санкт-Петербург, 1997г.
-Научно-технической конференции "Дни науки". Санкт-Петербург, 2001г.
-Текстильном коллоквиуме. Кругловязальной машине 200 лет. Доклад 'Проектирование полотен с учетом теплопроводности петельной структуры". Занкт-Петербург, 19 ноября 1998г.
-на семинарах кафедры "Физика" СП6ТУТД.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 9 статьей и 2 іубликаций в трудах конференций. Также вьшущено два методических пособия.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка штературы, включающего 138 наименования, и пять приложений. Основная часть щссертации изложена на 144 страницах машинописного текста. Работа содержит 12 рисунков и 16 таблиц, приложения содержат 186 страниц.
Анализ и достоверность данных о теплофизических свойствах трикотажа
В Институте технической теплофизики АН Украины разработана установка [51], работающая по абсолютному методу пластины. Теплота подводится к одной из сторон и отводится охлаждающей водой. При этом температура контролируется термопарой, а тепловой поток - многоспайным термоэлектрическим датчиком.
Аналогичный метод заложен в стандартном методе Франции [18]. Прибор состоит из нагревательной пластины с охранной рамкой и охлаждающего блока, между которыми помещается исследуемый материал.
Методика стационарного режима реализована на приборе, разработанном в ЦНИИ Шерсти [125]. Образец помещается между нагревательной и холодильной плитами. Коэффициент теплопередачи рассчитывается через ток и напряжение в сети нагревательной плиты в условии равновесного положения плит.
По симметричному двухпластинчатому методу работает прибор, созданный в НИИ текстильной промышленности в городе Карл - Марис -Штадте (Германия) [123].
Метод профессора Алимбета [6] строится на определении проводимости тепла через испытуемый образец, расположенный в плоскости между двумя рабочими головками: нагревающей (верхней) и охлаждающей (нижней). Метод осуществляется на приборе Т675.
В представленных выше приборах испытуемый образец не сообщается с наружным воздухом, а получаемые значения теплопроводности характеризуют тепловой процесс, протекающий внутри испытуемого слоя, вне зависимости от теплоотдачи с поверхности. В стандартном методе США [3] одномерный стационарный тепловой поток задается квадратной пластиной с охранными нагревателями, а образец, помещенный на пластине, находится в условиях свободной (или вынужденной) конвекции. Холодильники отсутствуют, и охлаждение происходит за счет теплоотдачи с открытой поверхности материала во внешнюю среду. В отечественной литературе также описан вариант пластинчатого прибора, работающего при свободной конвекции - установка Калмыкова и Рамзаева [70]. Для определения ТЗС текстильных материалов и пакетов из них широко используются цилиндрические приборы стационарного режима. Абсолютный метод полого цилиндра [133] используется для определения теплопроводности рулонных материалов. Полый цилиндр нагревается по внутренней поверхности, тепловой поток регистрируется ваттметром, температура - дифференциальными термопарами. Для определения величины теплопроводности материалов с хаотическим расположением волокон (вата, очесы и т.д.) применяется абсолютный метод полого шара [130]. Шаровой электрокалориметр стационарного режима, на котором работал К.В.Мигай [98], представляет латунный шар со встроенным в него нагревателем постоянного тока. Температура поверхности шара измеряется одной медьконстантовой термопарой, испытания материалов проводятся при плотном прилегании образцов к прибору в камере спокойного воздуха. Вариант стационарного метода трубы и цилиндра представляет установка, разработанная в ЦНИИ Шерсти [74]. Установка состоит из аэродинамической трубы, соединенной с холодильной камерой и колориметром, предназначенным для размещения на нем испытуемых образов. Метод стационарного теплового потока используется также в устройствах, предназначенных для измерения совместной тепло-влагопередачи [119]. Один из таких приборов предложен В.Ф.Скатерниковой [118]. Установка содержит сменное рабочее тело, пористую пластину, установленную в замкнутом аэродинамическом устройстве, перпендикулярно воздушному потоку. Отличие друг от друга перечисленных выше методов стационарного режима заключается в способах учета или компенсации утечек тепла, в форме и размерах исследуемых образов, в размещении нагревателей и др. Основным недостатком всех этих методов является длительность достижения стационарного состояния. Однако благодаря своей точности и надежности [104] в последнее время методы стационарного режима стали активно применяться для исследования свойств текстильных материалов. Особенно это относится к пластинчатым приборам, простота конструкции которых и возможность получить теплофизические характеристики в условиях более близких к эксплутационным (свободная и вынужденная конвекция, совместная тепло-влагопередача и др.) привлекают внимание исследователей. Методы нестационарного теплового режима
Нестационарные процессы теплопроводности имеют место при нагревании (охлаждении) материала. Все существующие методы нестационарного режима можно разделить на три основные группы, соответствующие стадиям нагревания (охлаждения) [67].
Первая группа или стадия неупорядоченного режима представляет чрезвычайную трудность в математическом описании, поскольку скорость изменения температуры внутри тела зависит от вида начального распределения температуры (местные перегревы, неравномерность начала охлаждения и т.п.).
Вторая группа методов построена на принципе регулярного теплового режима 1-го рода [74] и математическом описании процесса нагревания (охлаждения) материала в среде с постоянной температурой и при неизменном значении коэффициента теплоотдачи на его поверхности.
Теоретическое обоснование эксперимента по определению теплофизических характеристик текстильных материалов методом двух температурно- временных интервалов
Программа содержит головной модуль (PoleTemp3D) , 2 модуля с подпрограммами (Inlmage и PRTDAT) и подпрограмму процедуру SUBROUTINE Method_of_Balance. Ввод исходных данных в программу осуществляется списком оператора NAMELIST. В подпрограмме MethodofBalance реализован метод Гауса-Зейделя решения разностных уравнений, а также верхней и нижней релаксаций (в приведенном тексте программы метод релаксации помещен в комментарий в силу того, что он не дал улучшения сходимости). Модуль InJmageLAM содержит 4 подпрограммы: Detect_Parameters__Images, input_Image, input_Lamb, Detect_SizeJBMP_Image. Подпрограмма DetectJParametersImages определяет размеры вводимого образа, т.е. количество узлов, исходя из количества и размеров файлов задающих образ объекта; подпрограмма input_Image осуществляет ввод 3D матрици образа из исходных файлов с сечениями; mputJLamb - ввод матрици теплопроводности; Detect_Size_BMP_Image -определение параметров образа (высоты и ширины) в файле типа bmp. Модуль PRTDAT управляет выводом в файлы выходных данных, содержит 2 подпрограммы: Print_Layer_of_Temperature_Pole и Print_INFORM. Подпрограмма PrmtJLayer_of_Temperature_Pole осуществляет вывод значений безразмерной температуры в узлах сетки в файлы по соответствующим сечениям; Print__INFORM - выводит в файл inform.dat безразмерную эффективную теплопроводность для рассчитываемого объекта и исходные данные , т.е. безразмерную теплопроводность сред и коэффициенты формы. Головной модуль осуществляет следующие основные функции: ввод исходных данных оператором Namelist, ввод матрицы теплопроводности с помощь обращения к модулю In_Image_LAM, вызов подпрограммы для расчета тепловых полей, определяет среднюю температуру на слое у=0 исходя из рассчитанных полей температур, вычисляет эффективную безразмерную теплопроводность, для каждого набора значений теплопроводностей создает директорию с именем PTNomer (Nomer - это число от 001 до 999, для каждого индивидуального набора значений).
Исходными данными для программы являются: Dir_Name_Image - имя директории в которой хранятся файлы образа типа 001.dat, 002.dat, 003.dat, и т.д.; DirNameOutputPole - имя директории, в которой формируются поля температур; KFX - коэффициент формы = Y/X; KFZ - коэффициент формы -Z/X; EPS - квадрат погрешности (eps примерно = 10-6); coef_lamb_minl - минимум отношение коэффициента теплопроводности для среды 1 (Это воздух и обычно, поскольку обезразмеривание происходит на эту среду, всегда = 1); coef_lamb_maxl - максимум отношение коэффициента теплопроводности для среды 1; coef_lamb_stepl -шаг для среды 1; coefJamb_min2 - минимум отношение коэффициента теплопроводности для среды 2; coef_lamb_max2 -максимум отношение коэффициента теплопроводности для среды 2; coef_lamb_step2 - шаг для среды 2; coef_lamb_min3 - минимум отношение коэффициента теплопроводности для среды 3; coef_lamb_max3 -максимум отношение коэффициента теплопроводности для среды 3; coef_lamb_step3 -шаг для среды 3.
После завершения работы программы выходные данные заносятся в файлы с именами РТномер_сечения.с1а1 в соответствующие директории с именами РТномер_набора_теплопроводностей на жестком диске. Выходными данными программы являются значения безразмерной температуры в узлах сетки, безразмерна эффективная теплопроводность и соответствующие начальные данные задачи, т.е. коэффициенты формы и коэффициенты теплопроводности сред. .Для отладки программы производились тестовые численные эксперименты на параллельно и перпендикулярно относительно вектора потока тепла расположенных пластинах. Для этих задач известны точные решения. Для параллельно относительно вектора потока расположенных пластин Аэф = Хт/ Л Я3151 перпендикулярно расположенных , где Aj - теплопроводность і-ой компоненты, nij - объемная концентрация і-ой компоненты. В табл.6 приведены результаты сравнения численных и точных решении.
Дискретизация и обезразмеривание уравнений
Для окончательной подготовки работы программы необходимо заполнить файл input.dat. Ниже представлен пример этого заполнения. После расчета по разработанной программе, мы получаем результаты в виде температурных полей, пример показан на рисунке представленном ниже. (Поля приведены в приложении Зи4) По изотермам мы можем определить локальные температуры внутри и на границах трикотажного полотна. Соответственно, знание этих величин позволяет определить эффективную теплопроводность исследуемого материала.
Знание локальных температур позволяют определить значения тепловых нагрузок, при которых будут оказывать существенное влияние на теплопередачу конвекция и излучение в структуре материала.
Анализ температурных полей показывает, что форма изотерм зависит от геометрии расположения пряжи в петле трикотажа, а значения определяются теплопроводностью компонент, то есть теплопроводностью пряжи и газовой среды (воздуха в частности). Максимальная разница безразмерных температур на границе -0,1, то есть 0,1. Расчет для q=50 Вт/(м2К) (среднее значение потока от тела человека) при А,=0,05 Вт/(м К) показывает, что разница температур при толщине материала h 10"3 порядка Т-Т 2С, однако при более высоких тепловых нагрузках (при тепловых потока соответвующих одежде для пожарников (q=500-l 000 Вт/(м2К) и более) или специального назначения) Т-Т0, т.е. разница температур, может быть больше 20С. И следовательно, для этого диапазона тепловых нагрузок необходимо использовать численное моделирование теплопередачи с непосредственной детализацией геометрической структуры композиционного материала. В этом диапазоне не применимо стандартное понятие эффективной теплопроводности, т.к. оно теряет смысл из-за существенного влияния неоднородности температурного поля внутри материала на распределение температурного поля с другой стороны исследуемого объекта. Кроме того, это доказывает неприемлемость способа переноса данных эксперимента и расчетных методик, полученных при малых тепловых нагрузках (т.е. 50 - 150 Вт/ К)1, для расчета композиционных материалов находящихся при высоких тепловых нагрузках (более 500 Вт/(м2К)). И показывает необходимость дальнейшего совершенствования приборной и методологической базы, а также уточнения понятий для исследования подобных высоко нагрузочных тепловых процессов.
При проведении исследований структуры по разработанной методике важно определить минимальное количество срезов. Поскольку, с одной стороны необходимо обеспечить достаточную точность расчетов, для этого необходимо как можно более подробная информация о структуре, что приводит к большему количеству узлов в расчетной схеме. С другой стороны, количество расчетных узлов должно быть минимальным, чтобы сократить время расчета. При моделировании теплопередачи использовалась схема с первым порядком точности по пространственной переменной. По [138] погрешность в такой схеме (j ll ; const h, т.е. для обеспечения погрешности меньше 5% шаг по пространственным переменным должен быть h=l/20,. меньше 3% h=l/30 Соответственно минимальные размеры сетки 20x20x20 для 5% погрешности, 30x30x30 для 3%. Для проверки расчетов проведены численные эксперименты на модели переплетения гладь. Для этого изготовлены образы размерами 60x60x60, 50x50x50, 30x30x30, 20x20x20 и проведены численные эксперименты на них. Данные расчетов, приведенные в таблице показывают, что для обеспечения погрешности расчетов (в диапазоне от 1 до 5 безразмерной теплопроводности пряжи) не превышающей 3% достаточно описывать образ кубом размером 30x30x30.
Для проведения расчетов необходимо задать диапазон, в котором лежат значения теплопроводности компонент, исследуемой трикотажной структуры. В главе 4 проведены исследования по определению теплопроводности пряжи, используемой в трикотажном производстве. На основе этих данных рекомендуется выбирать интервал безразмерной теплопроводности от 1 до 5. На основании тестовых экспериментов выработана общая методика прогнозирования эффективной теплопроводности трикотажных полотен: 1. Выбрать исследуемое переплетение; 2. Определить технологические параметры выбранного переплетения 3. Создать пространственную геометрическую модель репрезентативного объема трикотажа. 4. Получить не менее 30 файлов типа bitmap преобразовать с помощью программ, например MATHCad (ОПЕРАТОРА ReadBmp) в файлы матричного типа 5. Заполнить файл данных 6. Провести расчеты по программе для выбранного диапазона значений. 7. По полученным данным по файлу inform.dat построить графики зависимости теплопроводности трикотажного полотна от теплопроводности пряжи в безразмерном виде.
Порядок измерения эффективной теплопроводности пряжи
Имеющиеся в литературе экспериментальные данные о теплофизических свойствах материалов отрывочны и подчас противоречивы, что препятствует проведению основных тепловых расчетов.
Реальная точность измерения теплопроводности трикотажа 30-40%. Для уменьшения этой погрешности необходимо раздельно учитывать влияющие на нее факторы. Основная масса приборов и методов ориентирована на измерение образцов плоской формации, что затрудняет исследование теплопроводности структурообразующего элемента трикотажа - пряжи. 4. Данные о теплопроводности пряжи отсутствуют. 5. Использование модельных зависимостей на основе обобщенной теории теплопроводности сложно в связи с отсутствием данных по текстильным нитям. 6. Применение особых единиц для оценки тепловых свойств материалов одежды (Clo, Tog, BTU и т.д.) не вызывает какой - либо необходимости. Эти свойства могут быть охарактеризованы принятыми в теплофизике величинами. 7. Применение существующих расчетных методов затруднительно, т.к. в них не учитывается реальное геометрическое расположение текстильных нитей в структуре трикотажа. 8. Расчетные методики и приборы, позволяющие рассчитывать эффективную теплопроводность трикотажных полотен, учитьшающих реальную геометрию, отсутствуют. На основании изложенного сформулированы следующие цели и задачи исследования: - разработать методику определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формы; - определить значения эффективной теплопроводности трикотажной пряжи; - разработать общую методику прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен широкого класса переплетений и различного сырьевого состава, позволяющую создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойств. - разработать математический аппарат и программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетения рассчитать поля температур и эффективную теплопроводность материала;
Трикотаж является одним из самых распространенных текстильных материалов, который применяется как в производстве одежды, так и в производстве изделий технического назначения. С точки зрения теплопередачи, от тканей, нетканых материалов, он имеет два приннипиальньїх отличия (если рассматривать структуру трикотажа). Во-первых, это петельная структура, имеющая достаточно сложную пространственную конфигурацию. Во-вторых, наличие значительных по площади и по объему сквозных просветов или сквозных пор (межнитевых промежутков). При изготовлении трикотажа используются нити и пряжа в различных сочетаниях практически из всех известных видов волокон, а также нетрадиционное сырье (например, металл), нити с диапазоном линейных плотностей от 2 до 1000 текс.
Для того, чтобы поставить задачи по анализу теплопередачи в трикотаже или для разработки методик расчета теплофизических характеристик, необходимо классифицировать трикотаж, трикотажные изделия и сырье.
В общем виде трикотаж определяется следующими классификационными признаками: 1) назначение; 2) вид; 3) размер; 4) способ изготовления; 5) сырье; 6) структура (переплетение). Назначение определяет режим эксплуатации изделий. Вид может характеризовать особенности теплообменных процессов между телом человека и окружающей средой. Размер и способ изготовления говорят о наличии различных по величине воздушных прослоек и качестве контактов изделия с телом человека или соседним слоем одежды. Способ отделки, сырье, структура переплетения определяют теплофизические характеристики трикотажа и, соответственно, оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства изделий, зависящих от теплопроводящих характеристик. На рис. представлена классификация трикотажных изделий, в качестве классификационного признака выбран назначение материала. Несмотря на все многообразие трикотажа, можно выделить два переплетения, которые являются структурообразующими для остального кулирного трикотажа. Это главные переплетения: гладь и ластик 1+1.
