外文翻譯（中文）--關(guān)于非織造纖維材料輻射傳熱的一個(gè)調(diào)查

1、<p>　　關(guān)于非織造纖維材料輻射傳熱的一個(gè)調(diào)查</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在這項(xiàng)研究中，表面對表面輻射模型的Fluent CFD代碼是用來研究纖維材料輻射傳熱的反應(yīng)。非穩(wěn)態(tài)傳熱方程求解的溫度和熱流以及周圍的纖維構(gòu)成無紡布纖維材料。它表明，對于一個(gè)固定的纖維直徑，織物擁有更高的固體體積分?jǐn)?shù)（SVF），材料的平均溫度上升

2、越慢。我們的模擬結(jié)果也表明，對于一個(gè)固定的SVF，纖維直徑有通過媒體上的非定常的熱傳遞的影響可以忽略不計(jì)。在本文中特別感興趣的是材料厚度的熱量滲透的效果。結(jié)果表明，通過增加材料的厚度來定額SVF以及纖維直徑，其瞬態(tài)熱傳導(dǎo)呈指數(shù)級(jí)下降。上述發(fā)現(xiàn)在我們的實(shí)驗(yàn)研究中得到了證實(shí)。</p><p><b>　　簡 介</b></p><p>　　以纖維為媒介輻射傳熱一直是備受

3、關(guān)注的領(lǐng)域，近年來由于其出色的保溫特性，對此類材料的應(yīng)用出現(xiàn)侵襲性的增長。由不同的重量和結(jié)構(gòu)纖維材料織造的非織造布，因?yàn)槠渲圃爝^程中低成本高效益的原因，其產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。實(shí)例的范圍中廉價(jià)的纖維棉材料通常用作住宅建筑中的絕緣材料，更復(fù)雜和昂貴的用于航空航天復(fù)合材料。</p><p>　　大多數(shù)纖維保溫材料是通過降低和對流換熱的傳導(dǎo)，但由于其廣泛的可用的表面積，其在抑制輻射熱損失方面效果有限。輻射可以通過高孔隙度的

4、纖維熱復(fù)合物類似于一個(gè)大的傳熱模式，即使在溫度高達(dá)幾百開爾文的時(shí)候也會(huì)發(fā)生。</p><p>　　早期的輻射研究是基于半經(jīng)驗(yàn)方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合,因此在分析不同成分[1-14]絕緣材料具有有限的適用性。</p><p>　　當(dāng)前研究的目的是檢測一種不同的方法來研究在纖維媒體中的輻射傳熱。在這種方法中，我們利用最近開發(fā)和實(shí)施的表面到表面的輻射模型建立了一個(gè)更易被理解纖維直徑的作用，固體體

5、積分?jǐn)?shù)（SVF）以及抑制輻射傳熱導(dǎo)材料的厚度的Fluent CFD代碼。這項(xiàng)工作的目的是提供有用的指導(dǎo)方針、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及開發(fā)。我們在下一節(jié)中概述了表面到表面的Fluent輻射模型，在第3節(jié)提出了我們的模擬域和邊界條件，第4節(jié)介紹了我們的實(shí)驗(yàn)裝置。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果列在第5，第6的結(jié)論。</p><p>　　纖維介質(zhì)內(nèi)模擬輻射傳熱</p><p>　　表面模型提出了一種獲得在灰色的漫反射表面的一

6、個(gè)外殼的輻射交換強(qiáng)度場方法。兩個(gè)表面之間的能量交換，取決于它們的大小、間距和取向。這些參數(shù)是通過所謂的觀點(diǎn)占因素。從另一個(gè)表面的表面后入射能量的量是表面對表面的視圖因子，既Fjk。視圖因子,Fjk是分?jǐn)?shù)的能量離開表面k的事件表面j。入射能量通量qin,k可以通過能量通量離開所有其他表面的方式來表達(dá)：</p><p>　　Akqin,k＝ （1）</p><p>　　Ak表示k

7、的表面積，F(xiàn)jk表示k和j表面之間的視圖因子（N是表面的數(shù)量）。表面模型主要假設(shè)的是表面輻射能量之間的交流不受介質(zhì)作用分開它們。</p><p>　　Fluent軟件運(yùn)用灰度擴(kuò)散模型，假設(shè)如果一定量的輻射能量（E）的表面上入射，（ρE）的一小部分被反射，一小部分（αE）被吸收，一小部分（τE）被發(fā)送。此外Fluent軟件還假定，傳熱面的熱輻射是不透明的。因此，透射率對其的影響可以忽略不計(jì)。反射的能量通量是依賴于周

8、圍的入射能量通量，然后可以表示為離開所有其他表面的能量通量的入射能量通量。其中可以使用下式表示k反射的能量：</p><p>　　qout,k=εkΣT4+ρkqin,k （2）</p><p>　　qout,k表示離開表面的能量通量，εk表示輻射率，σ是玻爾茲曼常數(shù)，qin,k表示從周圍表面上入射的能量通量。在另一種形式中，所述式中，F(xiàn)luent軟件利用光能傳遞?方程

9、。一個(gè)表面k放出的總能量由下式給出：</p><p>　　Jk=Ek+ρ （3）</p><p>　　其中Ek代表面k的發(fā)射功率。為了減少計(jì)算的費(fèi)用，時(shí)間和存儲(chǔ)要求，當(dāng)存在大量的輻射表面，F(xiàn)luent會(huì)采用聚類技術(shù)（詳細(xì)信息見Fluent的操作手冊）。</p><p><b>　　數(shù)值模擬</b></p>

10、<p>　　非織造布?jí)|是一種三維分層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由大量的纖維隨機(jī)分布在一個(gè)水平面上并依次在頂部沉積而建立的三維分層幾何結(jié)構(gòu)。由于這項(xiàng)研究只側(cè)重研究通過材料厚度的輻射傳熱,因此我們在二維幾何結(jié)構(gòu)中進(jìn)行模擬以表示介質(zhì)的橫截面，以達(dá)到減少計(jì)算的CPU時(shí)間的目的。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　此項(xiàng)研究中考慮的是二維幾何結(jié)構(gòu)中纖

11、維介質(zhì)的例子。纖維和間隙空間分別被視為固體區(qū)域和流體區(qū)域。四面體的單元格及它們的分布示于放大圖。</p><p>　　在我們的模型中（見圖1），纖維以圓圈排列的一定厚度的纖維墊的方式在內(nèi)域建模。模擬的邊界條件是：頂部和底部的邊界被認(rèn)為是恒定的溫度的壁面。頂壁將作為熱源（500K），而底壁的纖維作為散熱片（300K）。頂壁溫度是故意選擇低于纖維（聚酯）的熔點(diǎn)（約533K）。所有的邊界發(fā)射率設(shè)定為1。該介質(zhì)被假定為擁

12、有不可壓縮的理想氣體的密度的填充空氣。固相（纖維）被認(rèn)為是密度為1540kg/m3的聚酯，2000j/kg-k和熱傳導(dǎo)率為0.25w/m-k熱容量。</p><p>　　一個(gè)非穩(wěn)態(tài)模型已經(jīng)采用了這項(xiàng)研究。Fluent代碼實(shí)現(xiàn)的有限體積法被用來解決能量方程。注意，當(dāng)輻射被認(rèn)為是主要的傳熱機(jī)制時(shí)，能量方程是唯一可以解決問題的控制方程。</p><p><b>　　圖2</b&g

13、t;</p><p>　　在t=25、190和1190ms不同時(shí)期的溫度輪廓,SVF=10%,纖維直徑=20μm，纖維導(dǎo)電率=0.25W/m-k。</p><p>　　這項(xiàng)研究中使用的二維幾何結(jié)構(gòu)是要求纖維以交錯(cuò)的方式排列，取決于纖維的固相體積分?jǐn)?shù)（SVF）和纖維直徑而創(chuàng)建。顯然，纖維直徑較小時(shí)，更多的纖維將被創(chuàng)建在一個(gè)固定的SVF。</p><p>　　Fluen

14、t代碼預(yù)處理，以優(yōu)勢的開局棋法在這項(xiàng)工作使用二維幾何結(jié)構(gòu)來嚙合。纖維周邊嚙合使用特定的網(wǎng)格間隔和二維域四面體單元網(wǎng)格。根據(jù)纖維密度及纖維墊的SVF，不同的單元網(wǎng)格計(jì)數(shù)范圍從50000到110000都被認(rèn)為是范圍內(nèi)的模擬。例如在一個(gè)固定的系統(tǒng)中，更多的單元網(wǎng)格需要較小的纖維直徑以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。圖1顯示了在SVF為10%,纖維直徑為20μm的介質(zhì)中的網(wǎng)格分配(見第5節(jié)的更多細(xì)節(jié))。</p><p>　　圖2顯示了

15、一個(gè)在培養(yǎng)基中纖維直徑為20μm和SVF=10％在不同時(shí)間所得到的等溫線的例子。注意，溫度上升的圖層更接近熱源的。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)裝置</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖如圖3所示。不同的非織造布?jí)|被暴露于輻射熱源和溫度剖面照片來自于材料的一面面對遠(yuǎn)離熱源使用的放射相機(jī)。由雷神公司開發(fā)的紅外攝像機(jī)模型ExplorIR被配備了一個(gè)三角洲儀表，

16、電子變焦提供了2倍和4倍放大效果。通過材料的熱圖像，相機(jī)可以記錄沿任意線的溫度，如圖4所示，并計(jì)算平均溫度。</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　用于本次研究的實(shí)驗(yàn)裝置(a)和熱源(b)。</p><p>　　光學(xué)顯微鏡和SEM圖像被用來測量在材料測試時(shí)的纖維直徑 (每30個(gè)讀數(shù)為平均直徑)，并依照ASTM D-526

17、1標(biāo)準(zhǔn)測量了材料的克重(g/m2)，依照ASTMD-1777標(biāo)準(zhǔn)測量了墊厚度。表一列出了本次研究中的樣品和它們的性能。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　由紅外攝像機(jī)獲得的一個(gè)示例的熱圖像。用于記錄的最小剖面線以及最大和平均溫度的示例圖。</p><p><b>　　表一，材料性能</b><

18、;/p><p><b>　　結(jié)果&討論</b></p><p>　　在這項(xiàng)研究中,直徑為20、25、30、35和40μm的纖維和SVFs為5、10及15%均被考慮。研究中均對這些參數(shù)的單獨(dú)影響進(jìn)行了研究，同時(shí)保持了其他參數(shù)不變。此舉保障了結(jié)果網(wǎng)格獨(dú)立的重要性，并為此使得數(shù)值模擬獲得的結(jié)果更加精確。因此，一個(gè)系統(tǒng)SVF=10%和直徑為20μm纖維的典型仿真領(lǐng)域不同目

19、數(shù)嚙合，并網(wǎng)格密度對纖維的平均溫度的影響被記錄。Figure5a顯示纖維之間的內(nèi)部溫度分布。纖維平均溫度是由在域中的整個(gè)纖維的單元網(wǎng)格的平均溫度算得。纖維周圍的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量增加到一個(gè)單位網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)時(shí)的溫度變化如圖5b所示。需要注意的是，我們還增加了網(wǎng)格點(diǎn)的數(shù)量和控制單位網(wǎng)格的有著相同比例的模擬域的邊緣。可以看出，顯示基本所有獨(dú)立網(wǎng)格劃分的纖維的網(wǎng)格密度均大于18％。此項(xiàng)研究模擬了域與不少于20多個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的各類纖維。</p>

20、<p><b>　　圖5</b></p><p>　　圖5顯示了網(wǎng)格密度對纖維平均溫度的影響， SVF=10%，t= 0.4s，纖維直徑=20μm。</p><p>　　圖6顯示出三個(gè)不同的SVF，5、10、15％時(shí)對平均直徑的纖維的溫度的影響。仿真結(jié)果表明，纖維直徑對其平均溫度沒有顯著影響。圖7顯示出了我們的模擬結(jié)果，不同SVF的織物中纖維的平均溫度與其

21、時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。其中纖維直徑和其導(dǎo)電率分別為20μm和10％。由此可以看出，纖維的平均溫度增加時(shí)織物的SVF減少。這是由于，低SVF的織物具有更少的質(zhì)量，使它們的溫度上升的更快。換句話說，熱量通過低SVF的織物很容易，就像圖8中不同SVF的織物表現(xiàn)得那樣。</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　所示為SVF為5、10、15％的不同參數(shù)下織物纖維

22、的平均溫度。這里纖維導(dǎo)電率=0.25 w/m-k。</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　所示為SVF為5、10、15％的不同參數(shù)及不同時(shí)間對比下織物纖維的平均溫度。在這里纖維電導(dǎo)率= 0.25 w/m-k，纖維直徑=25μm。</p><p>　　厚度一直是保溫材料屬性相關(guān)聯(lián)的一個(gè)重要參數(shù)。圖9描述了纖維平均溫度和墊厚

23、度之間的關(guān)系。不同的樣品厚度在SVF=5%，纖維直徑=20μm和導(dǎo)電率=0.25 w/m-k固定參數(shù)下可以看出，隨著厚度的增加，織物的平均溫度降低。溫度值隨著Tmax被歸一化。繼徐等人的工作[ 15 ]，我們擬合指數(shù)函數(shù)來模擬數(shù)據(jù)來獲得我們的歸一化：</p><p>　　T*=1.1e-0.25x* （4）</p><p>　　T*是歸一化的平均纖維溫度，x*是歸

24、一化的厚度。</p><p>　　為了驗(yàn)證上述厚度對其的影響，實(shí)驗(yàn)研究所用織物的SVF為8％。使用這種面料研究厚度對其的影響，傳熱率??在一個(gè)恒定的SVF范圍內(nèi)。在t= 3s時(shí)刻記錄溫度。 因此可以看出，在圖10中，隨著織物厚度的增加溫度趨于歸一化下降。指數(shù)曲線擬合結(jié)果：</p><p>　　T*=0.99e-0.47x* （5）</p>&l

25、t;p>　　對比式（4）和（5），可以觀察到我們的模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差別很微小。在上述相關(guān)性系數(shù)的細(xì)微差異中，最可能是由于具有稍大的SVF（即8％）比那些被認(rèn)為是在模擬（即5％）的實(shí)驗(yàn)樣品造成的。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　所示為PP和PET織物在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)狀態(tài)下不同SVF時(shí)的平均溫度。</p><p&g

26、t;<b>　　圖9</b></p><p>　　所示為歸一化的平均纖維溫度在不同的時(shí)刻與材料的歸一化厚度的關(guān)系。這里SVF=5%,纖維直徑=30μm。</p><p><b>　　圖10</b></p><p>　　所示為歸一化的織物厚度與其面料平均溫度的關(guān)系。 SVF=8％，纖維直徑為20μm。要求在熱源溫度達(dá)到500

27、K以后穩(wěn)定維持t =3s后記錄數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本工作考察了在纖維媒介中輻射傳熱新方法的可行性。在這種方法中,最近開發(fā)出來的表面輻射模型被認(rèn)為是研究纖維直徑、固體體積分?jǐn)?shù)(SVF)和材料厚度抑制輻射傳熱。在某種程度上，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察所得有著相當(dāng)良好的嚙合性。特別的是,它顯示一個(gè)固定直徑的纖維,增加其SVF,可

28、以降低通過材料的瞬態(tài)傳熱率。我們的仿真結(jié)果也表明,對于一個(gè)固定SVF的織物,其纖維直徑在通過媒介傳遞熱量時(shí)有不穩(wěn)定且微不足道的影響。模擬實(shí)驗(yàn)表明, 通過增加材料的厚度來確定其SVF和纖維直徑，會(huì)使得其在通過媒介時(shí)的傳熱呈指數(shù)下降。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Verschoor, J.D., Greebler, P., 1

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