thời qua quần áo trong chế độ ổn định và điều kiện không khí chuyển động
3.2.1. Đặc điểm chuyển động của dòng không khí, phân bố nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong quần áo nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong quần áo
Hình 3.9. Phân bố vận tốc chuyển động của không khí giữa các lớp vải
Hình 3.8. Phân bố áp suất không khí giữa các lớp vải
ình 3.10. Phân bố nhiệt độ không kh í giữa các lớp vải
Hình 3.11. Phân bố độ ẩm không khí giữa các lớp vải
Kết quả bài toán mô phỏng mà luận án xây dựng cho biết phân bố áp suất, vận tốc chuyển động, nhiệt độ và độ ẩm không khí trong các miền khảo sát. Kết quả nhận đ−ợc có thể ở nhiều dạng khác nhau nh− bảng số, đồ thị, hình ảnh. Bảng P6.1 của Phụ lục 6 thể hiện một trong những kết quả dạng bảng số của bài toán mô
phỏng. Các hình từ 3.8 đến hình 3.11 là kết quả dạng hình ảnh của phân bố áp suất, vận tốc, nhiệt độ và tỷ lệ khối l−ợng hơi n−ớc trong lớp không khí bên trong một kết cấu lớp nhóm 3 ((J2+B1+L2)+U2 40).
3.2.1.1. Phân bố áp suất không khí
Một trong những kết quả bài toán mô phỏng của luận án là phân bố áp suất không khí trong các miền khảo sát. Giá trị áp suất tại một điểm đ−ợc xác định là chênh lệch giữa áp suất tại điểm đó so với áp suất của môi tr−ờng (tại một điểm ở xa vô cùng). Tiếp sau đây, chênh lệch áp suất này sẽ đ−ợc gọi tắt là áp suất.
Hình 3.12 và hình 3.13 biểu thị phân bố áp suất không khí tại bề mặt ngoài của lớp vải ngoài và lớp vải mặc lót đạt đ−ợc từ bài toán mô phỏng của luận án đối với 4 kết cấu lớp quần áo.
Phân bố áp suất không khí tại bề mặt ngoài của lớp vải ngoài
-30 -20 -10 0 10 20 30 0 30 60 90 120 150 180 Góc ở tâm , o á p su ấ t, P a S5 56 S5+U1 56 (J1+L1)+U2 56 (J2+B1+L2)+U2 40
Phân bố áp suất không khí tại bề mặt ngoài của lớp vải trong 0 1 2 3 4 5 0 30 60 90 120 150 180 Góc ở tâm, o áp su ấ t, P a (J1+L1)+U2 56 (J2+B1+L2)+U2 40
Hình 3.13. Phân bố áp suất không khí tại bề mặt ngoài của lớp vải mặc lót Từ đồ thị hình 3.12 cho thấy trên bề mặt bên ngoài của quần áo, áp suất không khí bằng 0 tại vị trí góc θ*= ±(30ữ40)0 (đối với kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí tốt: S5 56 và S5+U1 56); θ*= (50 55)± ữ 0 (đối với kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí kém: (J1+L1)+U2 56 và (J2+B1+L2)+U2 40).
Trong khoảng vị trí góc từ θ= 00 đến θ θ= *, áp suất không khí bên ngoài lớn hơn áp suất bên trong lớp vải ngoài (chênh lệch áp suất có giá trị d−ơng). Vì thế, không khí từ môi tr−ờng bên ngoài có nhiệt độ và độ ẩm thấp hơn sẽ lọt qua lớp vải ngoài vào bên trong quần áo. Trong vùng vi khí hậu hay khoảng không gian giữa các lớp vải, không khí lạnh và khô xâm nhập vào sẽ trao đổi nhiệt và ẩm với cơ thể ng−ời hay lớp vải bên trong của quần áo. ở phần phía bên của hình trụ cơ thể ng−ời từ vị trí góc θ θ= * đến vị trí góc θ ±= 1100, áp suất không khí ở bên trong quần áo cao hơn so với áp suất không khí của môi tr−ờng bên ngoài nên không khí có nhiệt độ và độ ẩm cao hơn sẽ đi qua lớp vật liệu quần áo ra môi tr−ờng bên ngoài. ở phần phía sau của hình trụ cơ thể ng−ời, áp suất không khí gần nh− bằng 0 nên hầu nh− không có dòng không khí đi qua khu vực này. Điều này có thể đ−ợc hiểu là do kết quả của hai dòng không khí có chiều ng−ợc nhau: một là dòng không khí đi từ trong lớp không khí của quần áo ra môi tr−ờng bên ngoài và hai là dòng không khí từ môi tr−ờng ùa vào sau điểm tách thành trên bề mặt lớp vải ngoài.
Những nhận xét trên về phân bố áp suất không khí trên bề mặt lớp vải ngoài đã cho thấy rõ ràng cơ chế xâm nhập của dòng không khí vào bên trong quần áo thẩm
thấu không khí. Những nhận định trên cũng hoàn toàn thống nhất với một số công trình nghiên cứu tr−ớc đây [41], [67].
Trên bề mặt các lớp vải mặc lót bó sát da, áp suất không khí có giá trị d−ơng (hình 3.13). Nh− vậy, do lớp vải mặc lót bó sát da nên không khí chỉ di chuyển trên bề mặt bên ngoài của vải, không thể tạo đ−ợc dòng không khí đi xuyên qua lớp vải này. áp suất không khí trên bề mặt lớp vải mặc lót có giá trị lớn nhất tại vị trí góc θ= 00 và nhỏ nhất tại θ ±= 450. Điểm tách thành trên bề mặt lớp vải mặc lót là tại vị trí góc θ ±= 700.
Các hình từ P11.1 đến P11.4 (Phụ lục 11) chỉ ra phân bố áp suất không khí trong lớp không khí bên trong quần áo t−ơng ứng với các kết cấu lớp S5 56, (S5+U1) 56, (J1+L1)+U2 56 và (J2+B1+L2)+U2 40. Trong khoảng không gian này, áp suất không khí lớn nhất ở vị trí chính giữa phía tr−ớc và nhỏ nhất là ở vị trí góc khoảng θ ±= 600 đối với những kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí tốt và khoảng θ ±= 450 đối với kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí kém.
3.2.1.2. Phân bố vận tốc dòng không khí bên trong quần áo
Khi có gió, trong lớp không khí bên trong quần áo, sự đối l−u c−ỡng bức xuất hiện do có dòng không khí đi vào và đi ra khỏi lớp vật liệu quần áo. Vận tốc chuyển động của dòng không khí này phụ thuộc vào độ chênh lệch áp suất giữa không khí bên ngoài và bên trong quần áo.
Các hình từ P11.5 đến P11.8 (Phụ lục 11) chỉ ra phân bố vận tốc dòng không khí ở bên ngoài và bên trong lớp không khí của quần áo t−ơng ứng với các kết cấu S5 56, S5+U1 56, (J1+L1)+U2 56 và (J2+B1+L2)+U2 40. Từ các hình này cho thấy, ở bên ngoài quần áo dòng không khí bị chia đôi tại vị trí góc θ= 00 và bao quanh hình trụ quần áo cho đến vị trí θ ±= (85ữ900), sau đó một phần dòng chảy tách khỏi bề mặt quần áo nh−ờng chỗ cho không khí từ phía sau ùa tới. Nhận xét này hoàn toàn phù hợp với đ−ờng cong phân bố áp suất nhận đ−ợc đối với những kết cấu này (hình 3.12). Điểm tách thành t−ơng ứng là điểm trên đ−ờng cong phân bố áp suất mà từ điểm đó đ−ờng cong thay đổi h−ớng so với đ−ờng cong dạng hình sin. Với cùng một tốc độ chuyển động của không khí môi tr−ờng bên ngoài, đối với những kết cấu
có vải ngoài thẩm thấu không khí tốt, điểm tách thành trên bề mặt lớp vải ngoài nằm lui về phía sau hơn so với điểm tách thành đối với kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí kém.
Chênh lệch vận tốc chuyển động của không khí ở bên ngoài và bên trong quần áo cũng khác nhau giữa các kết cấu có độ thẩm thấu không khí khác nhau. Cụ thể, những kết cấu thẩm thấu không khí tốt thì vận tốc chuyển động của không khí trong khoảng trống bên trong quần áo lớn hơn.
Các hình từ P11.9 đến P11.12 (Phụ lục 11) cho thấy phân bố vận tốc chuyển động của dòng không khí trong vùng vi khí hậu và khoảng không gian giữa các lớp vải của quần áo. Trong khoảng không gian này, vị trí mà ở đó không khí chuyển động với vận tốc lớn nhất là vị trí góc θ ±= (60 70)ữ 0 đối với kết cấu thẩm thấu không khí tốt và vị trí góc θ ±= (30 50)ữ0 đối với kết cấu thẩm thấu không khí kém. ở phần phía sau cơ thể, không khí chuyển động với vận tốc rất nhỏ t−ơng ứng với khu vực mà tại đó áp suất không khí cũng rất nhỏ (gần nh− bằng 0) (hình 3.12).
Đồ thị hình 3.14 biểu diễn phân bố vận tốc không khí trên bề mặt lớp vải ngoài của 4 kết cấu lớp điển hình. Phân bố của hai thành phần vận tốc không khí trên bề mặt lớp vải ngoài và lớp vải mặc lót đối với kết cấu (J1+L1)+U2 đ−ợc thể hiện trong hình 3.15.
Từ đồ thị hình 3.14 cho thấy: Nhìn chung, kết cấu có lớp vải ngoài thẩm thấu không khí tốt hơn thì tốc độ chuyển động của dòng không khí trong lớp vải ngoài lớn hơn. Vị trí trên vải có vận tốc không khí lớn nhất là khoảng θ ±= (60 70)ữ 0 đối với kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí tốt và khoảng θ ±= (30 50)ữ0 đối với kết cấu có vải ngoài thẩm thấu không khí kém. Vận tốc không khí nhỏ nhất là tại vị trí θ= 1800 ở phía sau hình trụ cơ thể t−ơng ứng áp suất không khí ở vị trí này cũng rất nhỏ gần nh− bằng 0. Nh− vậy, vị trí trên vải có vận tốc lớn nhất và vị trí có vận tốc nhỏ nhất hoàn toàn t−ơng ứng với những vị trí trong lớp không khí bên trong quần áo. Tốc độ chuyển động của không khí bên trong quần áo phụ thuộc chủ yếu vào độ thẩm thấu không khí của lớp vải ngoài.
Phân bố vận tốc dòng không khí trên bề mặt lớp vải ngoài 0 2 4 6 8 0 30 60 90 120 150 180 Góc ở tâm, o V ậ n tố c, m .s -1 S5 56 S5+U1 56 (J1+L1)+U2 56 (J2+B1+L2)+U2 40
Hình 3.14. Phân bố vận tốc dòng không khí trên bề mặt lớp vải ngoài
Từ đồ thị hình 3.15 cho thấy cả hai thành phần vận tốc không khí trong lớp vải ngoài luôn cao hơn so với vận tốc dòng không khí trong lớp vải mặc lót tại cùng một vị trí góc. Vận tốc theo ph−ơng h−ớng kính trên bề mặt lớp vải ngoài tại vị trí góc θ= 00 có giá trị lớn hơn 0 và trên bề mặt lớp vải mặc lót là bằng 0. Điều này là do tại vị trí θ= 00, dòng không khí chỉ lọt qua lớp vải ngoài nh−ng không đi qua đ−ợc lớp vải mặc lót do lớp vải này bó sát da.
Kết cấu (J1+L1)+U2 56 -2 0 2 4 6 0 30 60 90 120 150 180 Góc ở tâm, o V ậ n t ốc , m .s -1
Vải ngoài- V h−ớng kính Vải ngoài- V tiếp tuyến Vải trong- V h−ớng kính Vải trong- V tiếp tuyến
Hình 3.15. Phân bố hai thành phần vận tốc dòng không khí trên bề mặt lớp vải ngoài và lớp vải mặc lót
Đồ thị hình 3.16 chỉ ra sự thay đổi nhiệt độ không khí bên trong quần áo và môi tr−ờng theo khoảng cách tính từ bề mặt da của cơ thể ng−ời dạng mô phỏng tại vị trí góc 1800 trong 4 tr−ờng hợp khi hình trụ trần (không phủ vải) và khi hình trụ đ−ợc phủ vải t−ơng ứng với kết cấu nhóm 1, kết cấu nhóm 2, kết cấu nhóm 3.
Từ đồ thị này cho thấy sự thay đổi nhiệt độ không khí từ vị trí sát da của cơ thể ng−ời dạng mô phỏng. Khi hình trụ không phủ vải, đ−ờng cong phân bố nhiệt độ phù hợp với đ−ờng cong phân bố nhiệt độ bên ngoài một hình trụ tròn khi dòng không khí chuyển động ngang qua đã đ−ợc xây dựng bằng lý thuyết động lực học dòng chảy [17]. Khi hình trụ có phủ vải, do vải có hệ số dẫn nhiệt thấp hơn không khí và tạo thành một lớp chắn trên da nên làm giảm nhiệt trở đối l−u trên bề mặt da, do đó mà nhiệt độ không khí trong lớp biên sát da giảm chậm hơn.
26 27 28 29 30 31 32 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Khoảng cách từ da, cm N hi ệ t đ ộ, o C 0
Hình trụ trần Kết cấu nhóm 1 Kết cấu nhóm 2 Kết cấu nhóm 3
Hình 3.16. Phân bố nhiệt độ không khí trong quần áo và môi tr−ờng (hình chữ nhật thể hiện vị trí của lớp vải trong kết cấu)
So sánh đ ờng cong nhiệt độ của kết cấu nhóm − 2 và kết cấu nhóm 3 cho thấy: nhiệt độ không khí trong lớp biên sát da đối với kết cấu nhóm 3 giảm chậm hơn (độ dốc của đ−ờng cong nhỏ hơn), nh−ng trong lớp không khí thì nhiệt độ lại giảm nhanh hơn (độ dốc của đ−ờng cong lớn hơn). Sự khác nhau này có thể đ−ợc giải thích là do kết cấu nhóm 3 có lớp vải trong bó sát da và kết cấu có độ thẩm thấu không khí nhỏ hơn. Đối với kết cấu nhóm 3, tốc độ chuyển động của không khí
trong khoảng không gian này nhỏ hơn nên l−ợng nhiệt đ−ợc truyền đi qua lớp không khí bên trong kết cấu bằng ph−ơng thức đối l−u ít hơn.
Từ đồ thị hình 3.16 cũng có thể thấy rất rõ ràng là những lớp vật liệu có chiều dày lớn có khả năng cách nhiệt lớn hơn đáng kể so với những lớp vật liệu mỏng, đ−ờng cong nhiệt độ khi đi qua lớp vải dày có độ dốc lớn hơn so với khi đi qua một lớp vải mỏng.
Đặc điểm của đ−ờng cong nhiệt độ khi đi qua một lớp vật liệu vải không giống nh− khi đi qua một tấm chắn bằng vật liệu đồng nhất. Điều này có thể đ−ợc giải thích là do vải có cấu trúc xốp bao gồm các xơ sợi và các khoảng trống chứa không khí nên dòng nhiệt đi qua lớp vải đ−ợc thực hiện theo cả 3 cơ chế dẫn nhiệt, đối l−u và bức xạ.
Các hình từ P11.13 đến P11.16 (Phụ lục 11) chỉ ra phân bố nhiệt độ không khí trong lớp không khí bên trong quần áo đối với 4 kết cấu lớp khác nhau. Từ các hình này cho thấy nhiệt độ không khí không giống nhau ở các vị trí. Cụ thể, ở phía tr−ớc hình trụ cơ thể không khí có nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ không khí ở phía sau. Sự chênh lệch này là do vận tốc chuyển động của không khí trong khoảng không gian bên trong quần áo là khác nhau. ở phía tr−ớc hình trụ cơ thể, không khí chuyển động với tốc độ lớn hơn nên nhiệt trở đối l−u ở khu vực này cao hơn dẫn đến nhiệt độ không khí tại đó thấp hơn so với không khí ở phía sau cơ thể.
Các hình vẽ từ P11.21 đến P11.24 (Phụ lục 11) là kết quả dạng hình ảnh của phân bố nhiệt độ bề mặt da mô phỏng đối với 4 kết cấu lớp điển hình của 3 nhóm kết cấu. Đồ thị hình 3.17 là kết quả dạng đồ thị đ−ợc xây dựng từ kết quả dạng bảng số của các phân bố nói trên.
29 31 33 35 37 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Góc ở tâm, o N hi ệ t đ ộ, o C U2 0 S5 56 (J1+L1)+U2 56 (J2+B1+L2)+U2 40
Hình 3.17. Phân bố nhiệt độ bề mặt da mô phỏng
Từ đồ thị này cho thấy đặc điểm phân bố nhiệt độ bề mặt da mô phỏng cũng không giống nhau giữa các kết cấu lớp. Đối với các kết cấu lớp U2 0, S5 56 và
(J1+L1)+U2 56, nhiệt độ bề mặt da mô phỏng có giá trị nhỏ nhất tại vị trí góc θ= 00
và có giá trị cao nhất nằm trong khoảng vị trí góc θ ±= 1000 đối với kết cấu U2 0, khoảng θ= ±1200 đối với kết cấu S5 56 và khoảng θ ±= 1500 đối với kết cấu (J1+L1)+U2 56. Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế sử dụng quần áo trong điều kiện có gió, ng−ời mặc th−ờng cảm thấy lạnh hơn ở phần phía tr−ớc và ấm hơn ở phần phía sau cơ thể.
Riêng kết cấu (J2+B1+L2)+U2 40 có phân bố nhiệt độ khác so với các kết cấu khác. Vị trí có nhiệt độ lớn nhất nằm tại vị trí góc θ= 1800 ở phía sau hình trụ cơ thể. Kiểm tra phân bố nhiệt độ bề mặt da đối với nhiều kết cấu có lớp vải dựng ở giữa cũng nhận đ−ợc kết quả t−ơng tự. Sự khác biệt này có thể hiểu là do kết cấu có lớp vải dựng ở giữa có khả năng thẩm thấu không khí rất tốt. Vì thế, khi không khí lọt vào trong kết cấu sẽ dễ dàng di chuyển trong lớp vải dựng về phía sau cơ thể hơn là đi qua lớp vải lót kế tiếp. Do đó mà điểm trên bề mặt da có nhiệt độ lớn nhất sẽ di chuyển về phía sau hơn. Chính vì vậy, trong thực tế đối với quần áo giữ nhiệt có sử dụng lớp vải dựng ấm có chiều dày lớn, để giảm sự truyền nhiệt đối l−u theo h−ớng