автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка метода прогнозирования теплопроводности трикотажных полотен на основе численного моделирования теплопередачи

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Теплообмен в текстильных материалах

1.2 Методы определения теплофизических характеристик текстильных материалов

1.2.1 Экспериментальные методы

1.2.2. Расчетные методы

1.3 Анализ и достоверность данных о теплофизических свойствах трикотажа

Выводы и постановка задачи

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

2.3. Установка для определения теплофизических свойств трикотажа

2.4. Методика обработки экспериментальных данных

2.5 Усовершенствование прибора и методики

ГЛАВА Ш ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ТРИКОТАЖЕ ВО

3.1. Основные соглашения, обозначения и определения

3.2. Требования к физической модели объекта исследования.

3.3. Формулировка математической модели процесса

3.4. Метод численного решения на ЭВМ.

3.4.1. Метод построения разностной схемы

3.4.2. Метод решения алгебраических уравнений

3.5. Дискретизация и обезразмеривание уравнений

3.6. Алгоритм и программная реализация.

3.7. Тестовые численные эксперименты 97 3.8 Порядок проведения расчетов 100 3.9. Выводы

ЛАВА IV ИССЛЕДОВАНИЕ теплопроводности пряжи

1.1 Принципиальная схема методики. к2 Разработка методики определения теплопроводности пряжи

4.3 Порядок измерения эффективной теплопроводности пряжи.

4.4. Определение эффективной теплопроводности пряжи.

4.5. Выводы:

ГЛАВА V. РАЗРАБОТКА И АПРОБАЦИЯ МЕТОДА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ТРИКОТАЖНЫХ ПОЛОТЕН

5.1 Общая схема исследования трикотажных полотен

5.2 Экспресс- методики определения геплопроводности трикотажных полотен.

5.3 Пример расчета теплопроводности глади и ластика по экспресс методике

5.4. Экспериментальная проверка точности метода

5.5 Выводы

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 теплофизическими 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:

1. Разработана методика определения теплопроводности пряжи с помощью приборов, предназначенных для измерения образцов плоской формы.

2. Усовершенствована методика измерения теплопроводности на основе метода 2-х температурно-временных интервалов.

3. 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.

4. Впервые получены поля температур внутри трикотажных структур ластика 1+1 и глади.

5. Установлены количественные соотношения, связывающие эффективную теплопроводность основных видов трикотажных переплетений с теплопроводностью пряж, из которых они изготовлены.

6. 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" СПбГУТД. о

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 9 статьей и 2 тубликаций в трудах конференций. Также выпущено два методических пособия.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка пггературы, 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведенный анализ данных имеющихся в литературньп источниках по теплопроводности трикотажных переплетент показал большой разброс значений.

2. Разработаны программно-алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей, пряжи и структуре их переплетенш рассчитать поля температур и эффективную теплопроводности материала.

3. Установлено, что для определения эффективной теплопроводности трикотажных полотен при нормальных условиях достаточнс учитывать кондуктивную составляющую теплопроводности.

4. Разработана методика определения теплопроводности пряжи < помощью приборов, предназначенных для измерения образцм плоской формации.

5. Усовершенствована методика измерения теплопроводности ш основе метода 2-х температурно-временных интервалов.

6. По разработанной методике впервые получены значена« эффективной теплопроводности пряжи, используемой I трикотажном производстве.

7. Разработана универсальная методика прогнозирование теплопроводности трикотажных полотен широкого класс« переплетений и различного сырьевого состава, позволяющая создавать расчетные экспресс методы прогнозирования ТФ свойстг трикотажа, экспериментально проверена ее точность.

8. По результатам численных расчетов предложень интерполяционные формулы для расчета эффективно!теплопроводности главных трикотажных переплетений глади \ ластика 1+1:

2 2 лк.г. ~ Лгаза

2 ^ лпряжи

Л 2

0.17 + 0.195-^21 + 1.26—Чр^— газа | ] .пряжи

Лгаза У ^газа

1 ^ Лпряжи

0.45 + 0.24 ■ ^ЕНЕ.+0.7 —

1+

Iряжи тгаза ;

К.г. ~ Л газа

0.58+0.11

0.26' К ряжи1 игаза К пряжщ ^пряжи2 2 Лгаза

1 + пряжи^ газа

4+ 0.048- ^пряжи1. ряжи^ газа газа газа ^пряжи^ ^пряжи2 газа ггаза

К) гряжи2 чгаза

1+ ряжи2 газа

9. Экспериментально проверена точность предложенной методики не хуже 10%.

10. Впервые получены поля температур для репрезентативных объемог главных трикотажных переплетений глади и ластика 1+1.

11. По разработанной методике возможно создавать базы данных пс свойствам пряж и трикотажных переплетений, вырабатыватт рекомендации и экспертные оценки для оптимизации структур.

1. Aelion D.L. Теплопроводность тканей. Fibers, 1957, 18, N2, pp.51 -53.

2. Angus Т.С. Теплоизоляция одежды. Journal of the Textile Institute, 1935, 26, p.T83-T86 (Part 1).

3. ASTM D 1518-77. Испытание текстильных материалов на теплопроводность между теплой пластиной и атмосферой. США.

4. Bui. xient. ITF Lyon. Отчет - сообщение: О работе Института физиологии и одежды в городе Оэнштаин (Германия). 1986.

5. Bui. xient. ПТ Lyon. Серия приборов. Кавабата. Октябрь 1993.

6. Bui. xient. ITF Troyeo. Объективная оценка комфорта. Март 1995.

7. Butther К, Physikalische Bioklimatologie: Probleme und Methoden: Leipzig, Akademische Verlagsgesellschaft M.B.H., 1938. 147 s.

8. Clulow E. Комфортность одежды. Textile Horizons, 1984, 4, N9, pp.20-22.

9. Cybula S. О термической изоляции шерстяных тканей в зависимости от их структуры. Przeglad Wlokienniczy, 1964, N1, 18-21.

10. Fanger P.O. Thermal comfort: Analysis and Applications in Environmental Engineering. Copenhagen.: Danish Technical Press, 1970, - 244c.

11. Fourt L., Hollies N.R.S. Clothing: Comfort and function.- New York: Marcel Dekker, 1970.-254p.

12. Fuzek J.F. Теплоизоляция тканей. ASTM Standartization News, 1984, 13, N9, pp.19-21.

13. Gagge A.P., Burton A.C., Bazett H.C. Практическая система единиц для описания теплообмена человека с окружающей средой. Science, 1941, 94 № 2445, pp.428 -430.

14. Hoffineyer F., Slater К. Влияние толщины и плотности текстильных материалов на их тепловое сопротивление. Journal of Textile Institute, 1981, N4, p. 183-186.

15. Holcombe В. Теплоизоляция, создаваемая текстильными материалами. -Wool Science Review, 1984, N60, pp. 12-22.

16. Hollies N.R.S., Goldman R.F., eds. Clothing Comfort Interaction of Thermal, Ventilation, Construction and Assessment Factors. Michigan: Ann Arbor Sci. Publ. Inc., 1977. - 189p.

17. ISO 5085 1. Текстиль - Определение теплового сопротивления, часть 1. 1989.

18. JIS 1096. Материалы текстильные. Методы испытаний. Япония.

19. К. Slater. Comfort Properties of Textiles. Textil Progress, 1977, 9, N4. The Textile Institute, Manchester, - 91 p.

20. Lofstedt B.E. Методы измерения тепло-, воздухо- и паропроводности текстильных материалов. In book: Biometeorology 2. Pergamon Press, 1966, pp. 683-693.

21. Morris G.J. Термические свойства текстильных материалов. - Journal of Textile, 1953, 44, N10, PP.T449-476.

22. NF EN 31092 (ISO 11092). Текстиль. Физиологические эффекты. Измерение теплового сопротивления и сопротивления водяным паром в стационарном режиме. Апрель. 1994.

23. NF-G-07-107. Текстиль. Определение адиатермической способности и индекса теплоизоляции. Франция.

24. Onsager L. Reciprocal in Irreversible Process. I and П. Physical Review, vol. 37,26.29.