关键词：导水机理;;纳米包覆纱;;藕节管模型;;双尺度;;水平芯吸;;数值模拟
摘 要：纱线内部的毛细通道是影响纺织材料导湿性能的主要因素,对单向导湿和热湿舒适性面料的开发有着重要意义。本课题通过理论模型和数值模拟的方法建立了与纳米包覆纱导水通道结构相符合的双尺度藕节管导水模型,研究了纱线中双尺度微观毛细结构参数的导水机理,揭示纱线内部毛细管通道直径、纱线捻度和外包纳米层孔隙率和厚度等结构参数对尼龙长丝纱/纳米包覆纱线水分传递行为特征的影响。本文根据长丝纱/纳米包覆纱内部毛细通道及其与外包纳米层构成的双尺度导水通道,构建了长丝纱藕节管导水模型和纳米包覆纱双尺度藕节管导水模型,并基于达西定律和毛细管压力方程芯吸导水基本理论,推导了二维藕节管模型和双尺度藕节管模型的标准芯吸时间方程,得到藕节管模型粗细节宽度比和长度比及双尺度藕节管模型中外包纳米层孔隙率和厚度等参数对导水模型的影响规律,对应分析了纳米包覆纱中毛细通道结构和纳米层结构影响纱线芯吸的导水机理。建立与尼龙长丝纱和纳米包覆纱导水通道相一致的导水几何模型,借助Fluent软件对藕节管模型/双尺度藕节管模型中液态水在表面张力作用下自发的输运过程进行模拟,研究模型中各参数影响液态水受表面张力作用自发运动的转移规律。通过仿真数值模拟的结果,利用Fluent后处理功能得到藕节管模型/双尺度藕节模型中水流运动的轨迹云图以及模型中心线(x=0)的液态水各时刻的移动长度,并绘制出各个模型中芯吸导水长度与时间的曲线图,直观表明各参数对导水模型芯吸导水能力的影响。数学模型和数值模拟研究表明纱线内部非均匀二维藕节管粗细节交替频率越高,藕节管非均匀性越大,芯吸速率越小,芯吸平衡高度越低;二维藕节管直径大则有利于提高芯吸速率和芯吸平衡高度。双尺度二维藕节管外层小尺度多孔介质的孔隙率越大、多孔介质厚度越厚,双尺度二维藕节管的芯吸速率越快、芯吸平衡高度越高。探索制备与藕节管/双尺度藕节管导水模型结构参数相同的尼龙长丝纱和纳米包覆纱,对制备得到的各纱线进行水平芯吸实验,将纱线芯吸高度-时间曲线与数学模型和数值模拟结果进行验证。结果表明纱线内长丝间毛细管宽度越大,纱线加捻程度越小,长丝纱芯吸导水性能越好;对纳米包覆纱来说芯吸导水能力随外包纳米层孔隙率增大和厚度增大而增强。实验结果与理论研究结果相一致。在此基础上,本课题基于三维双尺度藕节管几何结构特征建立了三维双尺度藕节管的标准芯吸时间方程,研究三维双尺度藕节管的几何结构参数对模型导水性能的影响,并对三维双尺度藕节管的芯吸导水过程进行了仿真数值模拟研究,所得结论与二维双尺度藕节管一致。本课题所用的理论和数值模拟研究方法为研究纤维多孔材料的芯吸导水行为提供一条有效途径,为改善面料功能性和提高服装热湿舒适性提供理论依据。
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