close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Петракова О. В. Исследование свойств современных инновационных материалов в условиях воздействия ветра при проектировании новых видов теплозащитной одежды

код для вставки
Министерство образования и науки РФ
Орловский государственный университет имени И.С.Тургенева
На правах рукописи
_________________
подпись аспиранта
Петракова Ольга Владимировна
Научный доклад на тему:
«Исследование свойств современных инновационных материалов в условиях
воздействия ветра при проектировании новых видов теплозащитной
одежды»
направление подготовки 29.06.01 Технологии легкой промышленности
направленность (профиль) Технология швейных изделий
Научный руководитель к.т.н., доцент Родичева Маргарита Всеволодовна
Орел 2018
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы научного исследования. В настоящее время на
рынке
появился
синтетических
новый
класс
материалов,
высокотехнологичных
обладающих
уникальными
инновационных
защитными
и
высокими гигиеническими свойствами. В то же время, в гигиенической
практике доказаны преимущества нанопористых материалов из натуральных
волокон перед синтетическими. Это вызывает недоверие потребителей к
высокотехнологичным синтетическим материалам.
Также известно, что
инновационные свойства теплозащитной одежды на основе синтетических
материалов могут быть реализованы только в определенных комплектациях,
когда смежные слои создают механизмы для проявления уникальных
свойств.
Отечественная текстильная промышленность постепенно осваивает
технологии производства мембранных тканей и материалов с наноперфорацией волокон. Однако, подходы к комплектованию пакетов одежды,
зачастую не подкреплены предпроектными лабораторными исследованиями,
что не позволяет сформулировать конкретные рекомендации для разработки
конструктивных решений, и препятствует реализации уникальных свойств
высокотехнологичных материалов.
Поиск таких
сочетаний требует разработки новых подходов к
экспериментальным исследованиям тепломассообмена в биотехнической
системе
«человек
-
одежда
-
окружающая
среда»,
при
котором
осуществляется отказ от оценки отдельных показателей материала в пользу
исследования их комплексного влияния на интенсивность обменных
процессов в структуре пакета и подкостюмном пространстве.
Вопросы
исследования
процессов
тепломассообмена
в
системе
«человек - одежда - окружающая среда» нашли отражения в работах П.Е.
Калмыкова,
К.В. Карлиной, П.П. Кокеткина,
Г.М.Кондратьев , А.В.Лыкова и В.П. Исаченко,
Р.Ф. Афанасьевой,
Л.М. Пантелеевой,
М.В.Сухарев,. В.Е.Романова, В.М. Волковой, Н.А. Коробцевой, О.В.
2
Приходченко, И.В. Черуновой, В.С. Кощеева, А.В. Уварова, P.Gibson, J.Fan,
H. Nilsson, др.
В тоже время, формируются
исследований
-
математического
основы новой методологии научных
моделирования
и
вычислительного
эксперимента. Суть этого метода исследования заключается в том,
что
исходный объект заменяется его математической моделью, а исследования
проходят с использованием современных
вычислительных средств и
математических моделей. По мнению Рыжакова А.Н., Щербиной О.А.,
авторов труда «Современные проблемы математического моделирования в
исследовании операций»: «Широкое применение математических методов
позволяет поднять общий уровень теоретических исследований, дает
возможность проводить их в более тесной связи с экспериментальными
исследованиями. Математическое моделирование может рассматриваться как
новый метод познания, конструирования, проектирования, который сочетает
в себе многие достоинства как теории, так и эксперимента».
Создание одежды для защиты от холода и ветра в соответствии с
реальными условиями ее эксплуатации является сложной научной и
практической задачей. Поиск решения этих проблем может быть найден при
исследовании
теплозащитных
свойств
современных
инновационных
материалов в условиях воздействия ветра и дальнейшем проектировании
новых видов теплозащитной одежды, чему и посвящена диссертационная
работа.
Область научно-квалификационного исследования соответствует
требованиям
по
промышленности
специальности
29.06.01
–
Технологии
легкой
соответствует пп 2. Совершенствование процесса и
методов проектирования одежды на основе использования рациональной
размерной типологии населения, требований ЕСКД и широкого применения
современной вычислительной техники;
5. Совершенствование методов
оценки качества и проектирование одежды с заданными потребительскими и
3
технико-экономическими показателями паспорта специальности ВАК РФ
05.19.04 Технология швейных изделий (технические науки).
Объектом исследования являются инновационные материалы и
пакеты из них в различной комплектации.
Предметом
исследования
являются
процессы
теплообмена
в
материалах и пакетах материалов
Цель и задачи исследования. Цель научно-квалификационной работы
заключается в разработке теоретических основ проектирования пакетов
теплозащитной одежды в условиях воздействия ветра
Для реализации поставленной цели в работе были решены следующие
задачи:
- разработка классификации,
исследование структуры и свойств
современных инновационных материалов;
-
анализ методов исследований и теоретических подходов к
исследованию теплофизических свойств инновационных материалов;
-
выбор математического аппарата его реализации в современных
вычислительных средствах;
- разработка математических моделей и решение задач теплового
расчета материалов и пакетов материалов;
- совершенствование методов и исследования теплофизических свойств
инновационных материалов.
-выявление динамики изменения свойств инновационных материалов и
пакетов материалов при проектировании новых видов теплозащитной
одежды.
Научная
новизна.
К
ключевым
положениям,
в
которых
раскрывается научная новизна, исследования, относятся следующие:
1 Усовершенствованы методики оценки теплофизических свойств инновационных материалов и использованиим современных измерительных
4
приборов
и
преобразователей
температуры
DS18B20
фирмы
Dallas
Semiconductors;
2 Использован метод имитационного моделирования, реализованный в
пакете прикладных программ Comsol Multiphysics при составлении математической модели процессов теплообмена в пакетах материалов различной
комплектации.
3 Разработан метод определения конвективного теплообмена вертикально ориентированного цилиндрического элемента тела человека (биотехнический эмулятор процессов тепло) с использованием аэродинамических
камер и труб, генерирующих невысокие скорости движения воздуха (Re= 104
÷ 106) и подающих сформированный поток в зону контакта с биотехническим эмулятором;
4 Предложен новый подход к исследованию теплофизических свойств
пакетов теплозащитной одежды, сочетающий методы математического моделирования и экспериментальных исследований.
5 Разработаны методы экспериментальных исследований теплофизических
свойств
инновационных
материлов
на
основе
современных
измерительных приборов и преобразователей температуры, повышающих
точность измерений, устройств для моделирования и оценки воздействия
ветра на элементы конструкции одежды.
Теоретическая база и методы исследования
Экспериментальные исследования проводились с помощью авторских
методик, позволяющих исследовать теплофизические свойства и динамику
полей температур инновационных материалов и пакетов материалов.
Теоретической основной моделирования процессов в биотехнической
системе «человек одежда-окружающая среда» и базой экспериментальных
исследований является теория подобия тепловых процессов, которая имеет
глубокий фундамент. Одним из условий теории является геометрическое
подобие модели и образца. Оригинальный подход к разработке физических
моделей и математических описаний проекте основан на представлении
5
элементов
тела
человека
в
виде
набора
цилиндров,
вертикально
ориентированных в пространстве, поскольку от формы тела и его ориентации
в потоке зависят условия обтекания и теплоотдачи. Для соблюдения условий
геометрического
подобия
параметры
чувствительного
элемента
биотехнического эмулятора тепло- и массообмена соизмеримы с размерами
основных элементов тела человека имеющего рост 172 см, вес 74,4 кг,
имеющими
отношение
средней
длины
к
радиусу
равное
0,06.
Биотехнический эмулятор процессов тепло и массообмена в системе
«человек-одежда-окружающая среда» - физическая модель элемента тела
человека, которая позволяет моделировать процессы непосредственно с
использованием изучаемых материалов и параметров окружающей среды.
Автоматизированный комплекс, а также набор коммутаторов позволяет
автоматизировать процесс сбора и обработки результатов измерений.
Использование
совокупности
средств
измерений
и
первичных
преобразователей, подключаемых к компьютеру, позволяет численно
рассчитывать параметры процессов тепло и массообмена, протекающих в
биотехнической системе «человек - одежда - окружающая среда».
Теоретические исследования процессов теплообмена проводились с
применением методов конечно-элементного анализа, реализованные в пакете
прикладных программ Comsol Multiphysics.
Достоверность
полученных
результатов
обеспечивается
корректностью постановки и формализации задачи, обоснованностью
используемых классических теорий, принятых допущений и ограничений,
применением
апробированных
методов
решения
и
анализа,
что
подтверждается качественным и количественным согласованием результатов
исследований с другими авторами.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в
развитии методик
теоретических и экспериментальных исследований
теплофизических свойств современных материалов и пакетов инновационной
одежды,
совершенствовании
методов экспериментальных исследований
6
процессов теплообмена в структуре и на поверхности пакетов одежды,
получении показателей инновационных материалов и пакетов материалов в
различной комплектации, внедрении в учебный процесс ряда методик
проведения
экспериментальных
исследований,
в
том
числе
и
с
использованием математического пакет Comsol Multiphysics 2.5.
Апробация работы. Материалы научно-квалификационной работы
докладывались и обсуждались на
Публикации.
По
теме
научной
квалификационной
работы
опубликовано 3 статьи.
Структура
и
объем
научно-квалификационной
работы
представлена введением, четырьмя главами, заключением и списком
использованных источников. Объем работы – 104 страницы основного
текста, содержащего 9 таблиц, 48 рисунков, 1 приложение, 47формул.
Во введении обоснована актуальность научного исследования, оценена
степень разработанности проблемы, определена цель, поставлены задачи,
выбраны объект и предмет исследования, сформулирована научная новизна,
обоснованы
теоретическая
и
практическая
значимость
результатов
исследования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены классификация, строение и свойства
современных
инновационных
материалов
и
технологии
создания
мембранных материалов. Отмечено, что для изготовления текстильных
материалов используется волокна и нити, различающиеся по химическому
составу, строению и свойствам. Принято считать, что лучшими свойствами
обладают
состоят
натуральные материалы - хлопок, лен, шерсть, шелк, которые
из
волокон
растительного,
животного
или
минерального
происхождения. Преимущества натуральных тканей очевидны,поскольку они
обладают
антиаллергическими,
антисептическими
7
и
антигрибковыми
свойствами. У этих материалов хорошая воздухопроницаемость и высокие
теплозащитные свойства. Одежда максимально комфортная и удобная для
носки. Однако сегодня технологи пытаются наделить всеми этими
преимуществами и синтетические ткани, одновременно устранив такие
недостатки натуральных тканей, как, например, слабое растяжение, свойство
садиться и деформироваться после стирки.
За несколько десятков лет в текстильной промышленности появилось
огромное количество инновационных материалов,
каждый из которых
обладает
работе
своими
уникальными
свойствами.
В
рассмотрены
мембранные материалы и современные утеплители, краткая классификация
которых представлена на рисунке 1. Мембранная ткань используется в
одежде верхнего слоя с целью защиты нижних слоев от намокания, при этом
позволяет отводить лишнее тепло от тела наружу. По строению мембранные
ткани состоят из двух слоев: внешнего и мембранного слоя, склеенные
между собой по специальной технологии. Трехслойная ткань выглядит как
ткань с мелкой сеткой с изнанки, она защищает мембрану от механических
повреждений и засорения.
Спрос на теплую и качественную зимнюю одежду из года в год
остается на высоком уровне, учитывая низкие температуры на большей
территории нашей страны в течении долгого времени. Использование
одежды
обусловлено
необходимостью
защищать
тело
человека
от
негативных факторов воздействия внешней окружающей среды. Правильно
подобранный пакет материалов одежды помогает поддерживать температуру
пододёжного пространства на уровне 28— 32°С и невысокую влажность на
уровне 20—40%.
8
Современные инновационные
материалы
PCM™
Одежда с нагревательными элементами
Thinsulate Featherless
«Инфракрасное» утепление
Primaloft® Down Blend
Primaloft® Thermoball™
Многослойные утеплители
Polartec® Alpha
Soft Shell
Paclite® Shell
Performance Shell
Pro Shell
Мембраннные материалы
Рисунок 1. Классификация мембранных тканей и современных утеплителей
Одежда должна не только уменьшать энергетические затраты
организма из-за потери тепла, но и обладать высоким уровнем теплозащиты,
обеспечивая достаточное количество воздуха в пододёжном пространстве.
Для этого материалы должны обладать такими характеристиками как
небольшой вес, устойчивость к деформациям и способность быстро
восстанавливать форму, устойчивость к увлажению, т.е. низкий уровень
гигроскопичности. Сохранение воздуха, а следовательно и поддержание
тепла на необходимом уровне, должно достигаться за счет правильного
подбора пакета материалов, состоящего как правило из стрех слоёв:
- слой подкладочного материала;
- слой утеплителя;
- слой ткани верха.
Ключевым компонентом в пакете материалов зимней одежды является
утеплитель. Долгое время производителями верхней зимней одежды активно
9
использовались две разновидности наполнителя: перо-пуховая смесь и
синтетический синтепон. Однако текстильная промышленность не стоит на
месте и предлагает большой ассортимент современных утеплителей.
Некоторые из них представлены только как опытные образцы, другие
получили широкое использование. Среди причин, которые заставляют искать
новые способы утепления зимней одежды и формируют потребительский
спрос, можно выделить следующие:
- увеличение уровня теплозащиты при минимальных толщине и
удельном весе материала;
- поиск гипоаллергенного утепляющего материала;
- высокая цена на природное сырье (пух);
- низкие эксплуатационные свойства.
Перо-пуховая смесь после стирки уменьшается в объеме, происходит
её
миграция через верхний слой. Синтепон хуже справляется с задачей
теплозащиты, чем перо-пуховая смесь.
С целью удовлетворения этих потребностей ассортимент современных
нетканых утеплителей растет с каждым годом. На сегодняшний день выбор
производителей одежды не ограничивается только пухом синтепоном.
Существуют разные технологии производства и подходы к сохранению
тепла. Основные из них представлены на рисунке 2.
Структура утеплителя
Полые завитые волокна
ИК утепление
Рисунок 2– Основные структуры утеплителя.
10
Микроволокно
Во второй главе рассмотрены методы теоретических исследований
теплофизических свойств материалов и пакетов материалов.
Совокупность
материалов
методов
представлена
исследования
теоретическими
теплозащитных
и
свойств
экспериментальными.
Теоретические методы содержат методы тепловых расчетов пакетов одежды,
а также, используют модели теплообмена человека. Методы могут быть
основаны
на использовании
термодинамических
соотношений
или
дифференциальных уравнений в частных производных.
Традиционный подход к оценке интенсивности процессов тепло
массообмена и тепловым расчетам пакетов теплозащитной одежды построен
на необоснованном упрощении протекающих процессов. Так, многие
функции этого процесса рассматриваются в виде констант, а геометрия
системы «человек – одежда - среда» необоснованно упрощается до плоской.
Все это снижает точность проводимых расчетов даже при комплектовании
пакетов теплозащитной одежды традиционными материалами.
Более
рациональный
подход
к
описанию
процессов
тепло
массообмена связан с рассмотрением точных математических моделей, в
качестве которых выступают системы дифференциальных уравнений
в
частных производных или интегро-дифферециальные уравнения. Анализ и
решение таких моделей осуществляется на основе методов математического
моделирования.
Реализация метода математического моделирования подразумевает:
составление математических моделей, развитие численных методов их
решения,
разработку
соответствующего
программного
обеспечения,
параметрических исследований и анализ результатов. Развитие методов
математического
моделирования
процессов
тепломассообмена
применительно к биотехнической системе «человек – одежда – окружающая
среда» является достаточно сложной задачей, однако повысит системность
исследований характерных процессов и качество процесса проектирования
новых видов инновационной теплозащитной одежды.
11
Использование
современных
численных
методов
позволяет
реализовать принцип имитационного моделирования исследуемых объектов
или явлений, при котором случайные процессы рассчитываются пошагово и
многократно, каждый раз относительно различных начальных условий.
Такой подход позволяет достаточно подробно исследовать поведение
объекта или реализацию исследуемого процесса, но требует реализацию
достаточно
трудоемкой
процедуры
численного
решения
интегро-
дифференциальных уравнений, являющихся математическими моделями
современных процессов и явлений.
В рамках настоящей работы использован использовать пакет Comsol
Multiphysics 2.5. Пакет применим для моделирования и расчета методом
конечных элементов большинства физических, химических, биологических
процессов, описываемых дифференциальными уравнениями в частных
производных. С помощью COMSOL Multiphysics решена модель процесса
Отмечено, что при моделировании процессов реализуются несколько
этапов исследований. На первом этапе моделирования осуществляется
построение расчетной области по размерам моделируемой системы. На
втором этапе необходимо выбрать систему дифференциальных уравнений,
описывающих моделируемый процесс. В случае развития естественноконвективных течений на поверхности нагретой стенки – это известная
система уравнений пограничного слоя, которая применительно к воздуху
имеет следующий вид:
T
{∇⋅η(∇u+(∇u) +ρ(u⋅∇u)+∇p)=F,¿{∇⋅(ρu)=0,¿¿¿¿
где: η – вязкость воздуха, кг/(м·с);
ρ – плотность воздуха, кг/м3;
u – вектор скорости движения воздуха, м/с;
k – коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(м·К);
12
(1)
Ср – теплоемкость воздуха, Дж/(кг·К);
F – сила, побуждающая восходящее движение воздуха, Н.
Процесс естественной конвекции на нагретой стенке обусловлен
разностью плотностей воздуха в зоне контакта (ρ 0, кг/м3) и в свободном
объеме воздуха (ρ∞, кг/м3), а также ускорением силы тяжести (g=9,81 м/с2).
Т.е. величина движущей силы конвекции в рамках пограничного слоя
рассчитывается по формуле 2.20:
(2)
F=( ρ∞ −ρ0 )g
Для расчетов величины движущей силы, необходимо точно знать
функцию, описывающую различие в величинах плотности воздуха в рамках
пограничного слоя. Для воздуха роль этой функции играет приближение
Буссинеска:
(
ρ0 =ρ0 1−
Т 0 −Т ∞
Т∞
(3)
)
На третьем этапе моделирования производится построение расчетной
области
с помощью элементов графического редактора пакета Comsol
Multiphysics. На четвертом этапе относительно построенной области
задаются начальные и граничные условия. Пятый этап сопряжен с
построением расчетной сетки. В рассматриваемом случае, расчетная сетка
строится
на
лагранжевом
конечном
элементе.
На
шестом
этапе
производится выбор метода решения задачи и получение численного
решения. Седьмой этап связан с интерпретацией полученного решения.
Интерпретация решения подразумевает сравнение полученного результата с
известными
и
объективно
подтвержденными
теоретическими
и
экспериментальными результатами.
Проведенный
анализ
методов
экспериментальных
исследований
теплофизических свойств материалов и пакетов материалов в условиях ветра
позволил выявить установки и методики, которые могут стать основной для
разработки новых экспериментальных методов и стендов. С целью
13
более
точного
воспроизведения
характера
движения
к
воздуха
рассмотрены
теоретические
подходы
моделированию
ветра
на основе моделей
National Laboratory Renewable Energy. Использование
этих данных при моделировании параметров ветра позволило определить
требуемую структуру потоков в сечениях установки.
В третьей главе
рассмотрено
решение задач теплового расчета
материалов и пакетов материалов методом численного моделирования. Для
моделирования процесса теплопроводности в структуре пакета материалов
использовано уравнение A. Bejan в двух формах:
1 форма для численного моделирования в теплопроводности в
структуре пакета:
ρС
∂T
+∇⋅(−k ∇ T )=Q
∂t
(4)
где: ρ – плотность среды, пересчитываемая из объемного веса, кг/м3;
С – массовая теплоемкость тела, Дж/(кг·К);
T – величина температуры в точке, К;
t – время, с;
Q – общее количество энергии, вырабатываемое в теле с
внутренним источником или теряемое в теле с внутренним стоком тепла, Вт;
k – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).
Если среда анизотропна, то k имеет постоянное значение. Если среда
изотропна, то коэффициент задается в виде тензора:
[k=¿ kx kxykxz¿][kyxky kyz¿]¿¿¿
(5)
¿
2 Форма для численного моделирования процессов теплопроводности,
протекающих совместно со свобдно конвективной составляющей:
14
ρС
∂T
+∇⋅( −k ∇ T +ρ вс СTu )=Q
∂t
(6)
где: ρвс – плотность вязкой среды, вовлеченной в конвективный
теплообмен, кг/м3;
u – тензор скорости вязкой среды, м/с. Количественное значение
составляющих тензора вычисляется из уравнения Навье – Стокса.
Учитывая опыт проектирования теплозащитной одежды, модель (4-6)
необходимо решать относительно обобщенных граничных условий:
−n⋅q=q0 +h ( T inf −T )
(7)
где: q и q0 – вектор теплового потока и вектор теплового потока,
направленный по нормали к поверхности, Вт/м2;
n – вектор нормали к поверхности;
Т и Тinf – величины температур в рассматриваемой точки поля и
окружающей среде, °С.
На основе уравнений составлена модель для расчета стационарного
процесса теплопроводности в элементе пакета теплозащитной одежды. При
вычислении плотности потока с поверхности пакета посредством теплового
излучения, степень черноты поверхности принималась равной 0,95.
Коэффициент конвективной теплоотдачи рассчитывался из критериального
уравнения 8
Nu=0,5 Ra
0 ,25
ε
(8)
где: Nu – критерий Нуссельта,
Ra – критерий Релея
ε – поправка, учитывающая изменение физических свойств среды.
Рассчитывается по формуле 9
Pr
ε= f
Pr w
0 , 25
( )
(9)
где: Prf – число Прандтля, взятое при температуре окружающей среды;
Prw – число Прандтля, взятое при температуре стенки.
15
Геометрические
схемы
реализовывались
в
декартовой
и
цилиндрической системах координат.
На рисунке 3 представлено распределение температурного поля в
структуре однослойных (рисунок 3 а, б) и многослойных (рисунок 3 в, г)
пакетов одежды. Распределение поля на рисунках 3 а, в представлено для
прямоугольной геометрии, на рисунках 3 б, г – для цилиндрической.
Рисунок 3.
Некоторые результаты решения модели (а –
распределение поля температур в структуре плоской однослойной стенки; б
– распределение поля температур в структуре цилиндрической
однослойной стенки; в – распределение поля температур в структуре
плоской многослойной стенки; г – распределение поля температур в
структуре цилиндрической многослойной стенки)
Величина расхождения между результатами, полученными для плоской
и цилиндрической геометрии на представлена на рисунке 4 Как видно,
наибольшие
различия
в
величинах
температуры,
рассчитанных
для
цилиндрической и плоской геометрии наблюдаются применительно к
верхнему слою.
16
Рисунок 4. Величины отклонений между моделями в цилиндрической
геометрии применительно к многослойному пакету
В
четвертой
главе
представлены
результаты
инновационных материалов и пакетов материалов.
количественных
характеристик
свойств
исследования
Для получения
материалов
использованы
контактные методы и бесконтактные методы определения температуры. Для
реализации метода контактных измерений температуры использованы
первичные
преобразователи
DS18B20
фирмы
Dallas
Semiconductors.
Предложена схема расположения преобразователей на поверхности слоя и
определен градиент температур между поверхностью экспериментальной
установки и окружающей средой, описаны результаты исследования
материалов и пакетов, состоящие из 7 видов инновационных материалов. На
первом этапе исследований экспериментально определены
температуры
поверхности и коэффициент теплопроводности в динамике. Результаты
представлены на рисунке 5
17
Рисунок 5. Графическая зависимость между величиной
коэффициента теплопроводности и температурой ткани
По
полученным
имитационные
модели
данным
процессов
были
составлены
переноса
тепла
и
в
решены
структуре
нескольких цилиндрических элементов пакетов одежды различной
комплектации.
а)
б)
Рисунок 6. Сетка конечных элементов и распределение
температурного поля в структуре пакета теплозащитной одежды
На следующем этапе исследований, полученные распределения
температурного поля проверялись экспериментально. На рисунке 7
представлено сравнение теоретического (сплошная синяя линяя) и
18
экспериментального
(точечные
измерения)
распределения
температурного поля в структуре пакета одежды.
Рисунок 7. Распределение температурного поля в структуре пакета
одежды, полученное методами теоретических и экспериментальных
исследований
Как видно экспериментальные данные, полученные с помощью
предложенных
методов,
имитационных
моделей
могут
использоваться
процессов
тепло-
при
массообмена
построении
в
пакетах
теплозащитной одежды из высокотехнологичных материалов, а также при
проверке правильности численных решений. Эти имитационные модели
позволяют
численно
исследовать
динамику
теплозащитных
свойств
элементов пакетов одежды, исключая необходимость в использовании
сложного экспериментального оборудования.
Для
материалов
модельный
проведения
в
экспериментальных
условиях
стенд,
ветра
использовался
представляющий
имитирующее поведение объекта
исследований
собой
свойств
экспериментальный
техническое
устройство,
в режимных параметрах, равных или
приближающихся к натурным и разработанная в рамках работы методика.
В соответствии с методикой на поверхность тепловой модели элемента тела
надевают
исследуемый
пакет
одежды,
представленный
системой
цилиндрических рукавов, размещаемых поверх друг друга. Тепловую модель
помещают в экспериментальный стенд, генерирующий скорость ветра 2м/с и
19
4 м/с. Непрерывно регистрируют
величину плотности теплового потока на
рабочей поверхности тепловой модели элемента тела человека и в структуре
пакета материалов.
Для проведения сравнительных испытаний были выбраны текстильные
материалы,
используемые для изготовления теплозащитной одежды.
Свойства этих материалов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Материалы используемые для проведения исследований в
№
п/п
Волокнистый
состав
Поверхностная
плотность, г/м2
Толщина,
мм
Вид
переплетения
100% х/б
240
0,6
Кулирная гладь
Трикотажное
полотно
20% ПА
80% шерстяные
волокна
360
2,4
Кулирное
рисунчатое
Объемное
нетканое
полотно
(синтепон)
100% ПЭ
270
4,9
Polartech
Thermal Pro
100% ПЭ
237
1,9
Футерованное
Ячеистый
утеплитель
100% лавсан
137
3,0
-
6
Ткань
60% х/б
40% ПЭ
430
0,45
Саржевое, ½
7
Ткань
60% х/б
40% ПЭ
400
0,35
Саржевое, 1/3
8
Двухслойная
Ткань
(мембранная)
60% шерсть
40% ПЭ
400
1,2
Сложное
2-х слойная
ткань
1-й слой:
60% х/б
40% ПЭ
2-ой слой:
алюминиевая
фольга
452
0,51
Саржевое, ½
1
2
Слой в
пакете
Бельевой
Вид
материала
Трикотажное
полотно
Промежуточный
условиях ветра
5
9
Верхний
4
Утепляющий
3
На основе этих материалов было сформированы варианты пакетов
материалов различной комплектации (таблица 2)
Таблица 2. Варианты комплектации традиционных пакетов материалов
20
№ пакета
№1
№2
№3
№4
№5
№6
№7
Варианты слоев (в соответствии в таблицей 1)
Промежуточны
Бельевой
Утепляющий
Верхний
й
Трикотажное полотно
Трикотажное
Нетканое полотно
х/б ткань
(образец №1)
полотно
(образец №3)
(образец №6)
(образец №2)
Трикотажное полотно
Трикотажное
Polartech Thermal
х/б ткань
(образец №1)
полотно
Pro (образец №4)
(образец №6)
(образец №2)
Трикотажное полотно
Трикотажное
Polartech Thermal
х/б ткань
(образец №1)
полотно
Pro (образец №4)
(образец №7)
(образец №2)
Трикотажное полотно
Трикотажное
Polartech Thermal
Двухслойная
(образец №1)
полотно
Pro (образец №4)
ткань
(образец №2)
(образец №8)
Трикотажное полотно
Трикотажное
Инновационный
Двухслойная
(образец №1)
полотно
утеплитель
ткань
(образец №2)
(образец № 5)
(образец №8)
Трикотажное полотно
Трикотажное
Инновационный
х/б ткань
(образец №1)
полотно
утеплитель
(образец №7)
(образец №2)
(образец № 5)
Трикотажное полотно
Трикотажное
Инновационный
2-х слойная ткань
(образец №1)
полотно
утеплитель
(образец №9)
(образец №2)
(образец № 5)
Результаты измерений представлены в виде графиков (рисунок 8-11).
Рисунок 8. Структура теплоотдачи пакета №1
21
Рисунок 9. Структура теплоотдачи пакета №2
Рисунок 10. Структура теплоотдачи пакета №4
Рисунок 11. Структура теплоотдачи пакета №7
По графикам видно, что в условиях спокойного воздуха (скорость
ветра = 0), структура теплоотдачи представлена естественной конвекцией и
22
тепловым излучением. При появлении в зоне теплообмена горизонтального
воздушного потока структура теплоотдачи изменяется. Использование в
качестве утепляющего слоя полотно Polartech Thermal Pro (пакет №2), по
сравнению с пакетом №1 при сильном ветре позволяет
стабилизировать
теплоотдачу. Использование в верхнем слое мембранной ткани (пакет №4)
снижает ветропроницаемость пакета, за счет чего в количественном
отношении значения потоков теплоотдачи снижаются и находятся на уровне
95 Вт. В пакете №7 использовался металлизированный материал в качестве
промежуточного слоя. Это позволило уменьшить теплоотдачу с поверхности
пакета материалов до 80 Вт. Результаты, полученные с помощью модельного
стенда для исследования свойств материалов в условиях ветра, наглядно
демонстрируют роль каждого слоя в формировании общей теплозащиты.
Представленный метод в отличие от
большинства общепринятых,
направленных на получение количественных характеристик конкретного
свойства,
позволяет изучать процессы и разделять составляющие
теплоотдачи с поверхности пакета материалов. Это, в свою очередь
позволяет оценить составляющие теплоотдачи,
влияние на процесс
теплоотдачи каждого слоя материала, и повысить информативность метода.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе проведанных исследований в работе предложен новый
подход
к
материалов,
оценке теплофизических
сочетающий
экспериментальных
методы
исследований.
свойств
пакетов
математического
Для
его
инновационных
моделирования
реализации
и
необходимо
исследовать динамику коэффициентов теплопроводности и теплоотдачи
некоторых видов высокотехнологичных материалов
при изменении
температуры окружающей среды, и воздействии различных скоростей
движения воздуха.
В работе отражены следующие результаты.
23
1 Рассмотрены методы теоретических исследований теплофизических
свойств материалов и пакетов материалов. Установлено, что они основаны
на использовании термодинамических соотношений или дифференциальных
уравнений в частных производных. Определены показатели теплофизических
свойств материалов, методы и подходы к их исследованию.
Показано, что
традиционные методы теоретических исследований не позволяют выполнить
расчеты теплозащитных свойств пакетов инновационных материалов ввиду
сложности процессов, протекающих в их стуктуре. Для этих целей
используются
точные
математические
модели,
в
качестве
которых
выступают системы дифференциальных уравнений в частных производных.
2
Предложено
Multiphysics
2.5,
использовать
который
математический
позволяет
моделировать
пакет
Comsol
практически
все
физические процессы, которые описываются частными дифференциальными
уравнениями. В пакете реализован метод конечных элементов, которых
заключается в аппроксимации сплошной среды совокупностью подобластей
с определенной геометрической формой.
3 Выполнен расчет распределения температурного поля в пограничном
слое для плоской стенки при перепаде температур в 30°С . Сравнение
результатов расчетов с имеющимися в литературных источниках данными
высокую степень совпадения результатов.
4 Рассмотрены математические модели процесса теплопроводности в
структуре пакета материалов, для чего выбраны математические описания
процессов в однослойном пакете материалов и пакете с воздушной
прослойкой.
Определены
исходные
данные
для
вычислительного
эксперимента процесса теплопроводности внутри слоя и пакета материалов
пакета и конвективного теплообмена с поверхности цилиндрического
элемента. Получены визуализированные результаты распределения полей
температур в слое пакета материалов с поской и цилиндрической геометрией.
Представлены результаты стационарного решения задачи конвективного
теплообмена
цилиндрического элементы для разности температуры
24
поверхности и окружающей среды в 40°С (tinf=20°С, а tпов=60°С).
Установлено,
что
восходящий
поток
имеет
ламинарную
структуру,
увеличение толщины пограничного слоя с высотой незначительно.
5
Описаны
методы
экспериментальных
исследований
теплофизических свойств инновационных материалов с использованием
современных измерительных приборов и преобразователей температуры с
целью повышения точности измерений. Для реализации метода контактных
измерений температуры нами использованы первичные преобразователи
DS18B20 фирмы Dallas Semiconductors. Разработана и измерительная сеть
первичных преобразователей для обработки массива данных.
6 Проведены исследования 7 видов инновационных материалов и
пакетов материалов в различной комплектации.
каждого
материала
и
пакетов
Получены характеристики
материалов,
в
условиях
ветра
с
использованием экспериментального модельного стенда для моделирования
параметров ветра. Результаты исследований могут быть использованы при
проектировании новых видов одежды и комплектовании пакетов материалов
в зависимости от ветровой нагрузки.
Результаты
научно-квалификационной
следующих публикациях:
25
работы
представлены
в
Родичева,
М.В.
Анализ
эффективности
современных
синтетических
утеплителей для одежды/ Абрамов А.В., Петракова О.В. //Уральский
научный вестник (ISSN 1561-6908) № 4, том 2. – 2018.– С.26-30.
Родичева,
М.В.
Новый
прибор
для
экспериментальной
оценки
эффективности средств защиты работников в условиях охлаждающего
климата/ Абрамов А.В., Петракова О.В. //Материалы международной
конференции "News of science and education" (ISSN 2312-2773) № 5, том 6. –News of science and education"News of science and education" (ISSN 2312-2773) № 5, том 6. – (ISSN 2312-2773) № 5, том 6. –
2018.- С. 43-48.
Родичева, М.В. Развитие новых принципов проектирования теплозащитной
одежды / Абрамов А.В., Петракова О.В. //Материалы международной
конференции "News of science and education" (ISSN 2312-2773) № 5, том 6. – Trends of modern science - 2018"News of science and education" (ISSN 2312-2773) № 5, том 6. – (ISBN 978-966-8736-05-6) №
6, том 6. – 2018.- С. 22-26.
26
27
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа