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(duì)表面輻射模型的Fluent CFD代碼是用來(lái)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(wú)紡布纖維材料。它表明，對(duì)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(duì)于一個(gè)固定的SVF，纖維直徑有通過(guò)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(guò)增加材料的厚度來(lái)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(jiǎn) 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(lái)由于其出色的保溫特性，對(duì)此類材料的應(yīng)用出現(xiàn)侵襲性的增長(zhǎng)。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^(guò)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(guò)降低和對(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)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(cè)一種不同的方法來(lái)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(kāi)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(kāi)發(fā)。我們?cè)谙乱还?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(chǎng)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(guò)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(duì)表面的視圖因子，既Fjk。視圖因子,Fjk是分?jǐn)?shù)的能量離開(kāi)表面k的事件表面j。入射能量通量qin,k可以通過(guò)能量通量離開(kāi)所有其他表面的方式來(lái)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(kāi)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(duì)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(kāi)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(kāi)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(jiàn)Fluent的操作手冊(cè)）。</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(guò)材料厚度的輻射傳熱,因此我們?cè)诙S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(jiàn)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(lái)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(wèn)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(shì)的開(kāi)局棋法在這項(xiàng)工作使用二維幾何結(jié)構(gòu)來(lái)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(jiàn)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(lái)自于材料的一面面對(duì)遠(yuǎn)離熱源使用的放射相機(jī)。由雷神公司開(kāi)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(guò)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(lái)測(cè)量在材料測(cè)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(cè)量了材料的克重(g/m2)，依照ASTMD-1777標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(duì)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(duì)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?？梢钥闯?，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(duì)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(duì)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(duì)其平均溫度沒(méi)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(shuō)，熱量通過(guò)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(duì)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(lái)模擬數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)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(duì)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(duì)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(guò)材料的瞬態(tài)傳熱率。我們的仿真結(jié)果也表明,對(duì)于一個(gè)固定SVF的織物,其纖維直徑在通過(guò)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(guò)增加材料的厚度來(lái)確定其SVF和纖維直徑，會(huì)使得其在通過(guò)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

29、952. Heat transfer by gas conduction and radiation in fibrous insulation. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers 74 (6), 961-968. </p><p>　　[2] Hager, N.E., Steere, R.C., 1967. Radiant

30、heat transfer in fibrous thermal insulation. Journal of Applied Physics 38 (10), 4663-4668. </p><p>　　[3] Bankvall, C.G., 1973. Heat transfer in fibrous materials. Journal of Testing and Evaluation 1 (3), 23

31、5-243. </p><p>　　[4] Linford, R.M.F., Schmitt, R.J., Hughes, T.A., 1974. Radiative contribution to the thermal conductivity of fibrous insulations. Heat Transmission Measurements in Thermal Insulations, spec

32、ial publication 544, American Society for Testing and Materials, Philadelphia, 68-84. </p><p>　　[5] Pelanne, C.M., 1980. Heat flow principles in thermal insulations. Journal of Thermal Insulation 4 (1), 27-

33、44. </p><p>　　[6] Larkin, B.K., Churchill, S.W., 1959. Heat transfer by radiation through porous insulations. Journal of the American Institute of Chemical Engineers 5 (4), 467-474. </p><p>　　[7

34、] Hottel, H.C., Sarofim, A.F., 1967. Radiative Transfer, McGraw-Hill, NY,378-436. </p><p>　　[8] Tong, T.W., Tien, C.L., 1980. Analytical models for thermal radiation in fibrous media. Journal of Thermal Insu

35、lation 4, 27-44. </p><p>　　[9] Tong, T.W., Tien, C.L., 1983. Radiative heat transfer in fibrous insulations parts I: analytical study. Journal of Heat Transfer 105 (1), 70-75. </p><p>　　[10] Ton

36、g, T.W., Yang, Q.S., 1983. Radiative transfer in fibrous insulations – part 2: experimental study. Journal of Heat Transfer 105 (1), 76-81.</p><p>　　[11] Tong, T.W., Swathi, P.S., Cunnington, G.R., 1989. Red

37、uction of radiative heat transfer in thermal insulations by use of dielectric coated fibers. International Communications in Heat and Mass Transfer 16 (6), 851-860. </p><p>　　[12] Mathes, R., Blumenberg, J.,

38、 Keller, K. 1990. Radiative heat transfer in insulations with random fiber orientation. International Journal of Heat and Mass Transfer 33 (4), 767-770. </p><p>　　[13] Stark, C., Fricke, J. 1993. Improved he

39、at-transfer models for fibrous insulations. International Journal of Heat and Mass Transfer 36 (3), 617-625. </p><p>　　[14] Dombrovsky, L.A., 1996. Quartz-fiber thermal insulation: infrared radiative propert

40、ies and calculation of radiative-conductive heat transfer. Journal of Heat Transfer 118 (2), 408-414. </p><p>　　[15] Xu, W., Shyr, T., Mu, Y, 2007. Textiles properties in the infrared irradiation. Textile Re