[发明专利]一种多尺度框架下的热物理传输数值仿真方法

说明书

本发明公开了一种多尺度框架下的热物理传输数值仿真方法,提出了一组多尺度非线性模型用来描述人体，织物，纤维材料和相变材料颗粒之间的混合型耦合热湿传输；所述多尺度模型整合了上述实体之间的动态热边界条件，采用了耦合偏微分方程描述，所述偏微分方程通过有限体积方法进行离散化。同时，考虑到不同的穿戴情景，提出了智能保暖服装数字化仿真的方案。在智能保暖服装的工程设计过程中，利用本发明提出的仿真方案，可以提前评估服装的热智能质量，从而降低设计成本。

技术领域

本发明涉及热湿传输的数字化仿真计算领域，特别涉及一种多尺度框架下的热和湿度传输的数值仿真算法。

背景技术

作为一个具有巨大的商业前景的创新产品，热智能服装的特征在于在各种人体穿着情况下，如处于极热或极冷的环境中，都能为人体提供高质量的热保护性能。在热智能服装的设计过程中，纺织材料通常与相变材料(PCM)颗粒相结合、进行水分管理处理，或者应用电加热技术。因此在热智能的服装过程中，应采用工程设计方法而不是传统设计方法。在这种情况下，应系统地考虑人体、衣服和环境(被称之为服装穿着系统)之间的复杂的热流体流，以量化热智能服装的热保护质量。然而，由于人体，织物，纤维材料和PCM材料处于不同的尺度，这些热流体流也处于不同的尺度，因此仅用一个尺度进行数值模拟难以准确分析单个实体的热性能。

本发明集中于多孔纺织材料的热湿传输。理论上，涉及到的热量传输机制包括纤维材料和周围空气的传导、对流和辐射。同时，气-液转移中的湿气传输机制包括水分扩散、纤维吸湿、毛细管效应和水分蒸发/冷凝。当织物结构中的温度梯度和湿度梯度存在时，就会发生热量和湿气转移过程。早期的研究尝试用稳态条件下的物理定律对这些机制进行建模。在上世纪30年代，亨利首次描述了纺织材料在瞬态条件下的热湿传输，上世纪60年代由Nordon和David进一步发展，在上世纪90年代由Li和Holcombe改进。Fan，Le等几位研究人员结合了织物吸湿模型，并考虑了通过织物的热湿传输的辐射热通量。Zhu和同事通过考虑纺织品中的毛细液体扩散过程，改进了耦合模型。Wang考虑了水汽的蒸发/冷凝过程，使仿真结果更接近真实情况。然而，很少有人系统地研究和模拟纤维、织物、功能处理和涂层材料之间的热活动和相互作用。

由于大部分时间人体穿着衣服，身体的热活动通常与衣料中的热湿传输相互作用。有些研究人员认为人体是织物热传质模型的边界条件，或者认为服装是人体生物传热的边界条件。例如Glili用一对系数来描述织物的热量和湿度传递。在这些研究中，通过简单的过程/系数或稳定状态来考虑人体或服装系统，空间非均匀和时变的环境不能用准确的结果来模拟。最新的研究提出了一些关于织物或服装的模拟热质交换的算法，忽略了服装和人体之间的热相互作用。因此，需要制定系统而准确的模型和数字化方案来预测人体和服装之间的瞬态非均匀环境下的热变化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多尺度框架下的热物理传输数值仿真方法，利用本发明提出的这种热智能服装系统的数字化仿真计算方法，设计人员可以提前评估服装的热智能质量，从而降低设计成本，同时也有助于提高更新产品的速率。。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种多尺度框架下的热物理传输数值仿真方法，包括以下步骤：

S1、建立米级生物热传输模型：

建立身体节点模型：人体分为六部位，每部位有四层；所有部位中的层都被视为单独的节点，通过一个代表全身血液循环的中央血液节点连接起来；在每个部位内，热量通过传导传递到各层；血液节点通过对流与所有其他节点交换热量；建立每个身体节点的热平衡方程；

S2、建立毫米级耦合的热湿传输模型：

服装的织物具有毫米级的厚度，织物中的热量和湿度平衡方程以厚度尺寸给出；考虑PCM引起的相变现象，纤维的吸潮/解吸或水汽凝结/蒸发，瞬态过程中的湿热传输过程动态耦合，同时考虑压力对热湿传递的影响，建立方程；