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羽绒纤维集合体的导热分形模型

作　者: 付贤文
导　师: 俞建勇
学　校: 东华大学
专　业: 纺织材料与纺织品设计
关键词: 羽绒纤维集合体微观结构分形维数导热模型传热系数
分类号: TS102.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

羽绒纤维集合体因其良好的蓬松性和保暖性使其作为填充物广泛用于服装及生活日用品中。本文根据多孔介质的定义,将羽绒纤维集合体看成湿分以纯蒸汽的形式出现于孔隙空间的干饱和多孔介质。利用分形理论,探讨了羽绒集合体孔结构的分形特征,建立了集合体导热系数的分形模型,并根据热传递的三种基本方式,建立了羽绒集合体的导热模型。在对羽绒集合体微观结构的研究中,利用Micro CT技术扫描不同体积分数下羽绒集合体的截面得其断层扫描图,经重建后用matlab编程将图片二值化后利用分形理论,根据计盒法原理,基于matlab语言求解了羽绒集合体不同体积分数下孔结构的孔隙面积分形维数Df和孔隙弯曲分形维数DT。根据求解结果得出,羽绒集合体的孔隙面积分形维数Df越小,孔隙弯曲分形维数DT越大,羽绒纤维集合体的保暖性能越好。孔隙面积分形维数较小时,纤维集合体内孔隙大小和分布越均匀；孔隙弯曲分形维数越大,纤维集合体内孔隙通道越复杂,热传导路线越曲折,导热阻力越大,热量的散失越少。根据多孔介质热对流发生的条件,分析了羽绒集合体内的对流传热,已知羽绒集合体内的空气在室外及人体温度范围内的Pr约为0.7,通过计算其格拉斯霍夫数G,求解了瑞利数(Ra=GrPr)为20.664,远低于103,而当GrPr<103时可以忽略集合体中的热对流。因而,在羽绒集合体的传热性能研究中可以认为对流传热并不是热量散失的主要原因。在考虑了羽绒集合体的微观结构情况下,假设羽绒集合体内的传热为稳态传热,基于热-电类比法,根据羽绒集合体孔结构的孔隙面积分形维数Df和孔隙弯曲分形维数DT,建立了集合体导热系数的分形模型。此外,在考虑了辐射散射的影响下建立了热辐射系数与纤维半径的关系式,计算了羽绒集合体内的辐射热流密度,最后考虑了羽绒集合体内热传导与热辐射过程,建立了羽绒集合体的导热模型,求解了羽绒集合体的传热系数,将预测值与实测值比较后,有较好的一致性。中空聚酯纤维具有良好的保暖性能,常作为羽绒的替代品用于家纺与纺织服装中。根据羽绒纤维集合体的导热模型,采用计盒法计算了中空聚酯纤维不同体积分数下的分形维数,并根据建立的羽绒集合体的导热模型计算了集合体的传热系数,模型计算的预测值与实测值能较好的吻合,证明该导热模型对预测纤维集合体的传热系数有较好的适用性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 多孔介质的导热性能的研究  12-15
  1.3 低密度纤维集合体导热性能的研究  15-17
  1.4 研究的目的及意义  17
  1.5 研究的主要内容  17-20
第二章羽绒纤维集合体微观结构的分形表征  20-44
  2.1 分形的定义  20-25
  2.2 多孔介质孔隙的分形几何模型  25-28
  2.3 羽绒集合体孔隙结构的分形维数计算  28-43
  2.4 小结  43-44
第三章羽绒纤维集合体的传热及模型建立  44-56
  3.1 羽绒纤维集合体的热对流  44-45
  3.2 羽绒纤维集合体的热传导  45-50
  3.3 羽绒纤维集合体的热辐射  50-51
  3.4 传热系数的预测与验证  51-54
  3.5 小结  54-56
第四章传热模型在中空保暖纤维传热研究中的应用  56-60
  4.1 中空纤维  56
  4.2 中空聚酯纤维集合体的保暖性测试  56-57
  4.3 导热分形模型的验证  57-59
  4.4 小结  59-60
第五章结论与展望  60-62
  5.1 结论  60-61
  5.2 展望  61-62
参考文献  62-68
附录  68-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文  78-80
致谢  80

羽绒纤维集合体的导热分形模型

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