2.3. Nội dung nghiên cứu
2.3.1. Mô phỏng số sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua quần áo
quần áo trong chế độ ổn định và điều kiện không khí chuyển động
Trong luận án này, lý thuyết truyền nhiệt và truyền chất đ−ợc áp dụng để mô phỏng sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua kết cấu lớp quần áo trong chế độ ổn định và có điều kiện có dòng không khí chuyển động ngang qua quần áo.
Trong nghiên cứu này, chỉ xét đến tr−ờng hợp dòng nhiệt và dòng ẩm di chuyển từ bề mặt da của cơ thể ng−ời đi qua quần áo và ra môi tr ờng bên ngoài. −
Bài toán mô phỏng sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua quần áo trong chế độ ổn định và điều kiện không khí chuyển động đ−ợc giải bằng ph−ơng pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm tính toán động lực học dòng chảy ANSYS CFX 10.0.
Do quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng là rất phức tạp nên việc nghiên cứu lý thuyết quá trình này chỉ có thể thực hiện đ−ợc với một số giả thiết nhất định. Để chứng minh bài toán mô phỏng là phù hợp với thực tế và kết quả mô phỏng đủ độ tin cậy, kết quả mô phỏng nhận đ−ợc sẽ đ−ợc so sánh với một số kết quả nghiên cứu đã công bố và đ−ợc so sánh với kết quả đo trên mô hình thực nghiệm.
2.3.1.1. Bài toán mô phỏng
• Mô phỏng hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr ờng −
Cơ thể ng−ời:
Các đặc tr−ng của cơ thể ng−ời có thể đ ợc xem xét để mô phỏng khi nghiên − cứu sự truyền nhiệt và truyền ẩm trong hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng bao gồm: hình dạng, kích th−ớc và chuyển động của cơ thể, sự tỏa nhiệt và thoát mồ hôi từ bề mặt da, cơ chế điều chỉnh nhiệt của cơ thể. Với mục tiêu nghiên cứu đã đ−ợc xác định, các yếu tố đ−ợc lựa chọn để mô phỏng trong luận án này là mô phỏng gần đúng hình dạng và kích th−ớc cơ thể, mô phỏng sự tỏa nhiệt và thoát mồ hôi dạng khí của cơ thể ng−ời.
Trên cơ sở phân tích các ph−ơng án mô phỏng hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng trong các công trình nghiên cứu đã công bố [41], [51], [56] cho thấy mô hình hình trụ đ−ợc sử dụng rất phổ biến và phù hợp khi nghiên cứu sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo trong điều kiện không khí chuyển động. Do vậy, trong nghiên cứu này, cơ thể ng−ời đ−ợc mô phỏng là một hình trụ tròn, đứng, tỏa nhiệt và thoát hơi n−ớc.
Đ−ờng kính ngoài và chiều cao của hình trụ đ ợc chọn để mô phỏng t ơng ứng − − với đ−ờng kính t−ơng đ−ơng và chiều dài các phần của cơ thể ng−ời. Theo phép xấp xỉ một cơ thể ng−ời với một hình trụ tròn thì đ−ờng kính t−ơng đ−ơng của hình trụ này đ−ợc xác định nh− sau:
π Vn td
d =Ω (2.21)
Trong đó: dtđ- đ−ờng kính t−ơng đ−ơng của hình trụ tròn (cm) ΩVn- kích th−ớc chu vi lớn nhất của cơ thể ng−ời (cm)
Đối với một cơ thể điển hình nam giới tr−ởng thành ng−ời Việt Nam có chiều cao từ 165ữ171 cm, vòng ngực lớn nhất 91ữ97 cm, chiều dài phần thân mình 75ữ78 cm [1]. Với kích th ớc trên thì đ− −ờng kính t−ơng đ−ơng của hình trụ cơ thể ng−ời là từ 28,97ữ30,88 cm. Trong luận án này, hình trụ cơ thể ng−ời dạng mô phỏng đ−ợc chọn có đ−ờng kính ngoài 30 cm và chiều cao 78 cm. Đối với các phần khác nhau trên cơ thể ng−ời, đ−ờng kính t−ơng đ ơng đ− −ợc xác định t−ơng tự. Cụ thể, đ−ờng kính t ơng đ− −ơng của phần chân và tay lần l−ợt đ−ợc chọn là 15 cm và 8 cm.
Trong mô hình này, cấu trúc cơ thể ng−ời đ−ợc mô phỏng bao gồm 2 lớp t−ơng ứng với cơ thể ng−ời thật, đó là lõi nhiệt và lớp truyền nhiệt (bao gồm cả lớp da). Nhiệt độ bề mặt lõi nhiệt của hình trụ cơ thể ng−ời đ−ợc duy trì ổn định ở 37±0,5 0C t−ơng ứng với nhiệt độ trung tâm của một cơ thể ng−ời bình th−ờng [31]. Tốc độ thoát hơi n−ớc không đổi đ−ợc chọn là 120 g.m-2.h-1 (hay 3,33.10-5 kg.m-2.s-1 ) t−ơng ứng với tốc độ thoát mồ hôi trung bình của một cơ thể ng−ời bình th−ờng [31]. Hệ số trao đổi nhiệt của lớp da đ−ợc xem nh− không thay đổi và đ−ợc lấy là 62,32 W.m- 2.K-1 (những tính toán chi tiết đ−ợc thể hiện trong Phụ lục 2).
Quần áo:
Quần áo mà con ng−ời mặc trên cơ thể th−ờng gồm nhiều loại khác nhau. Các loại quần áo khác nhau về chức năng sử dụng nên có số lớp, chiều dày, kích th−ớc
và đặc điểm vật liệu dệt khác nhau. Thậm chí trong một bộ quần áo, các đặc tr−ng này cũng có thể không giống nhau giữa các phần. Hơn nữa do yêu cầu của ph−ơng pháp gia công mà quần áo còn có các đ−ờng liên kết mà tại đó số lớp và chiều dày các lớp vật liệu cũng khác nhau.
Trong luận án này, quần áo đ−ợc xem nh− bao gồm các lớp vật liệu dệt, lớp không khí giữa da và vải, lớp không khí giữa các lớp vải.
Trong thực tế khi quần áo đ−ợc mặc trên cơ thể ng−ời, do tác động của gió, của chuyển động của cơ thể và trọng lực tác dụng lên quần áo, chiều dày lớp không khí bên trong quần áo ở các vị trí khác nhau có thể không giống nhau và thay đổi. Trong phạm vi nghiên cứu này, ảnh h−ởng của gió và chuyển động của cơ thể đến hình dạng tự nhiên của quần áo khi phủ lên bề mặt cơ thể ng−ời dạng mô phỏng không đ−ợc xét đến.
Ph−ơng án mô phỏng hình dạng của quần áo đ−ợc chọn ở dạng đơn giản nhất là một hình trụ tròn đồng trục với hình trụ cơ thể ng−ời. Đối với quần áo có cấu trúc dạng hở, một phần bề mặt phía d−ới của cơ thể ng−ời dạng mô phỏng không đ−ợc phủ quần áo.
Môi tr−ờng:
Để mô phỏng dòng chảy bên ngoài hình trụ quần áo, phần môi tr−ờng đ−ợc khảo sát có dạng hình hộp chữ nhật bao quanh hình trụ quần áo và hình trụ cơ thể ng−ời. Miền môi tr−ờng có chiều cao bằng chiều cao hình trụ cơ thể ng−ời. Khoảng cách từ hình trụ quần áo đến các mặt xung quanh của miền môi tr−ờng đ−ợc chọn theo một tỷ lệ nhất định so với đ−ờng kính hình trụ cơ thể ng−ời (Tham khảo tỷ lệ kích th−ớc của kênh gió với kích th−ớc hình trụ cánh tay ng−ời trong thiết bị đo độ thẩm thấu không khí và nhiệt trở của vải [51]). Kích th−ớc của miền môi tr−ờng đ−ợc xác định trong hình P4.1 của Phụ lục 4.
Do chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm giữa hai bề mặt quần áo có ảnh h−ởng nhất định đến sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo nên trong luận án này chỉ xem
xét và mô phỏng tr−ờng hợp dòng nhiệt và dòng ẩm đi từ cơ thể ng−ời qua quần áo ra môi tr−ờng bên ngoài. Để đảm bảo điều kiện này thì nhiệt độ và độ ẩm không khí của môi tr−ờng đ−ợc chọn cần nhỏ hơn giá trị tối thiểu của nhiệt độ da và độ ẩm không khí trên bề mặt da. Giá trị nhiệt độ tối thiểu của phần da có phủ quần áo (trừ phần mặt, cổ, bàn tay và bàn chân) thông th−ờng là 30 0C (t−ơng ứng khi cơ thể bắt đầu có cảm giác lạnh) [81]. áp suất hơi n−ớc tối thiểu của không khí trên bề mặt da là khoảng 3218 Pa (khi nhiệt độ da là 34 0Cvàđộ ẩm da là 60 % t−ơng ứng khi da khô). Cụ thể, điều kiện môi tr−ờng đã đ−ợc chọn trong bài toán mô phỏng là điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ không khí là 27 0C, độ ẩm t−ơng đối là 65%, áp suất hơi n−ớc là 2317 Pa [32]).
Tốc độ chuyển động của dòng không khí trong môi tr−ờng xung quanh đ−ợc chọn trong phạm vi từ 0,2 ữ5 m.s-1 t−ơng đ ơng với cấp gió từ 1 đến 3 [25], [60]. − Đối với tr−ờng hợp này, khi dòng không khí có tốc độ từ 0,2 ữ5 m.s-1 đi ngang qua hình trụ cơ thể ng−ời có đ ờng kính ngoài 30 cm thì số Reynolds có giá trị từ − 0,39.104ữ0,97.105.
• Mô hình hình học của hệ thống
Hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng trong bài toán mô phỏng đ−ợc chia thành 4 miền khảo sát theo trình tự từ trong ra ngoài là: vải mặc lót (chỉ có đối với kết cấu nhóm 3), lớp không khí, vải ngoài và môi tr−ờng. Trong đó miền lớp không khí và môi tr−ờng là miền chất lỏng (không khí ẩm), miền vải mặc lót và miền vải ngoài là miền xốp. Các tham số của cơ thể ng−ời đ−ợc đ−a vào là điều kiện biên trên bề mặt tiếp xúc giữa da và vải (đối với kết cấu nhóm 1 và nhóm 3) hoặc trên bề mặt tiếp xúc giữa da và lớp không khí (đối với kết cấu nhóm 2).
Các miền khảo sát của một kết cấu lớp nhóm 3 đ−ợc thể hiện trong hình 2.5. Đặc tr−ng kích th−ớc của các miền khảo sát đ−ợc thể hiện trong hình P4.1 và bảng P4.1 của Phụ lục 4.
Việc tạo các mô hình hình học của các miền khảo sát đ−ợc thực hiện trong phần mềm ANSYS WORKBENCH. Vì mô hình mô phỏng đối xứng qua mặt phẳng
chứa trục của các hình trụ và song song với h−ớng gió nên chỉ cần xem xét và tính toán trên một nửa đối xứng của mô hình.
x z y 0 Vải ngoài Dòng không khí đi vào Dòng không khí đi ra Lớ p không khí Vải mặc lót Môi tr−ờng
Hình 2.5. Mô hình hình học của các miền khảo sát (kết cấu nhóm 3)
• Các giả thiết của bài toán mô phỏng
Để đơn giản hóa quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng, một số giả thiết đ ợc sử dụng trong bài toán mô phỏng − nh− sau:
Cơ thể ng−ời
− Mồ hôi đ−ợc xem nh chỉ có hơi n ớc (bỏ qua thành phần muối và các chất − − thải khác)
− Bỏ qua độ nhấp nhô của bề mặt da.
− Xem nh− hệ số dẫn nhiệt và hệ số tỏa nhiệt do bức xạ của lớp da không thay
đổi theo độ ẩm. Không xét đến sự điều chỉnh nhiệt của cơ thể ng−ời bằng sự thay đổi tốc độ dòng máu tới da, nói cách khác thì hệ số trao đổi nhiệt của lớp da đ−ợc xem
là không thay đổi.
− Không xét đến ảnh h−ởng của chuyển động cơ thể ng ời đến hình dạng của − quần áo.
Vải và quần áo
− Vải đ−ợc xem là vật liệu dạng xốp. Theo chiều dày, vải đ ợc xem nh là có − − t. ở đây, không xét đến sự khác biệt về mật độ giữa lớp lõi và hai
chỉ khuếch tán qua khoảng trống giữa các xơ sợi.
a trọng lực.
ng thay đổi nh
ó qua quần áo đ−ợc xét đến trong bài toán ng khí ẩm. Không khí ẩm đ−ợc xem là hỗn hợp của hai chất l−u có thành
úc giữa các miền (vải và không khí, vải và da, không khí và da)
áo trong chế độ ổn định
nhiệt các lớp vật liệu quần áo ra môi −ờn
mật độ đồng nhấ lớp bề mặt của vải.
− Xem nh− khả năng thẩm thấu của các loại vải theo tất cả các h ớng là nh − − nhau.
− Bỏ qua sự hấp thụ ẩm bởi xơ và sợi của vải hay nói cách khác là các phân tử hơi n−ớc
− Bỏ qua sự thay đổi cấu trúc hình học của vải (mật độ, kích th−ớc lỗ rỗng, hình dạng bề mặt) khi độ ẩm của vải thay đổi và d−ới tác dụng củ
− Không xét đến chuyển động của vải khi có tác động của gió. Nói cách khác, chiều dày lớp không khí bên trong kết cấu lớp quần áo đ−ợc xem là khô
và − nhau ở tất cả các vị trí trên cơ thể. Chất l−u
− Chất l−u mà dòng chuyển động của n này là khô
phần thay đổi, đó là không khí khô và hơi n−ớc. (tiếp theo không khí ẩm sẽ đ−ợc gọi tắt là không khí).
− Tốc độ chuyển động của dòng không khí đ−ợc xem là ổn định. Xem nh− sự tiếp x
là tiếp xúc lý t−ởng.
• Hệ ph−ơng trình vi phân mô tả sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua quần
Trong hệ thống cơ thể ng−ời- quần áo- môi tr−ờng, tồn tại dòng năng l−ợng và dòng hơi n−ớc truyền từ bề mặt da qua
tr g bên ngoài. Khi dòng không khí chuyển động ngang qua quần áo, do vật liệu quần áo có cấu trúc xốp nên một phần dòng không khí này sẽ đi qua các lớp vật liệu vào bên trong quần áo và rồi lại đi ra môi tr−ờng bên ngoài.
Các ph−ơng trình vi phân mô tả chuyển động của dòng chất l−u, dòng nhiệt và dòng chất là những ph−ơng trình bảo toàn khối l−ợng, động l−ợng và năng l−ợng.
ật bảo toàn khối l−ợng. Theo định em là liên tục trong thể tích điều khiển. Sự thay đổi khối Những ph−ơng trình vi phân mà phần mềm ANSYS CFX giải khi thực hiện một mô phỏng CFD ở dạng tổng quát và những ph−ơng trình vi phân cụ thể của bài toán mô phỏng trong luận án này đ−ợc biểu diễn nh− sau:
Ph−ơng trình liên tục:
Ph−ơng trình liên tục đ−ợc viết theo định lu luật này, chất l−u đ−ợc x
l−ợng toàn bộ của chất l−u đi qua thể tích điều khiển là bằng 0. Dạng tổng quát của ph−ơng trình liên tục: 0 ) . ( = ∇ + u d ρ dt ρ (2.22) Trong đó: ρ- mật độ không khí, t- thời gian , u- tốc độ dòng chảy
Trong tr−ờng hợp của bài toán này, vì là chế độ ổn định và mật độ không khí không thay đổi theo vị trí nên ph−ơng trình liên tục có dạng sau:
0 ) ( =
∇ u (2.23)
Ph−ơng trình động l−ợng (ph−ơng trình Navier- Stokes):
Ph−ơn g trình động l−ợng biểu thị các lực tác dụng gây nên chuyển động của : lực trọng tr−ờng, lực phân tố. Trong dòng chảy, mỗi phân tố chịu 3 lực tác dụng là
áp suất và lực ma sát. Lực quán tính gây nên chuyển động của phân tố là hợp lực của 3 lực trên. M S p u u d + ∇ + ∇ − = ∇ + ρν τ dt ρ. ) ( . . ) ( (2.24) Trong đó: ν- độ nhớt động học, p- áp suất, τ- tensor ứng suất, S- nguồn động l−ợng bên ngoài
tr
huyển động là ổn định nên ph−ơng trình chuyển động có dạng:
M
Trong −ờng hợp mô phỏng của luận án này, chất l u là chất khí và không − chịu nén, chế độ c u u u v p grad grad + ∆ = − ρ 1 (2.25)
Ph−ơng trình năng l−ợng nhiệt:
g trình năng l−ợng đ−ợc viết theo định luật ình tổng quát có dạng sau:
Ph−ơn bảo toàn năng l−ợng. Ph ơng − tr g S u u p T e u e d ∇ + ( . ) . ( ρ ρ . )=∇( . )+ ∇ + .∇ + τ λ dt (2.26) Trong đó: T- nhiệt độ, λ- hệ s e Phần −ơng trình dẫn nhiệt
ố dẫn nhiệt, - nội năng, Sg-nguồn nhiệt bên trong Ph−ơng trình dẫn nhiệt:
mềm ANSYS CFX cho phép tính toán và giải ph
iền trong những miền rắn mà trong đó không có dòng chảy nào. Sự dẫn nhiệt qua m rắn tuân theo ph−ơng trình:
g p T T S C dt d + ∇ ∇ = ( . ) ) . . (ρ λ (2.27)
Trong đó : Cp- nhiệt dung riêng
Trong tr−ờng hợp của bài toán mô phỏng này, nguồn nhiệt bên trong chính là n do sự bay hơi hoặc ng−ng tụ trong các lớ
dòng nhiệt ẩ p vật liệu của quần áo. Ph−ơng trình khuếch tán:
Dạng tổng quát của ph−ơng trình khuếch tán: φ φ φ ρ φ ρ S D d + ∇ ∇ = ( . . ) ) . ( ( dt 2.28)
g chất đ−ợc bảo toàn trong một đơn vị thể tích, Dφ- hệ số khuếch tán động học, Sφ- nguồn thể tích (khối l−ợng chất bảo toàn trong một đơn vị thể tích và trong một đơn vị thời gian).
Trong đó : ρ- mật độ của hỗn hợp, φ- khối l−ợn
Ph−ơng trình Darcy:
Ph−ơng trình Darcy là ph−ơng trình mô tả dòng chảy trong môi tr−ờng xốp: u u K u S . . . . K loss D − 2 − = (2.29) m
loss- hệ số tổn thất trở (đối với tổn thất bên trong).
Trong đó: S- nguồn động l−ợng, η- độ nhớt động học, ρ- mật độ, KD- độ thẩ thấu Darcy, K
Đối với dòng chảy có tốc độ nhỏ, do gradien áp suất tỷ lệ với tốc độ nên hệ số tổn thất trở Kloss có thể đ−ợc xem nh là bằng 0. Trong bài toán mô phỏng này, nếu −
bỏ qua sự đối l−u trong miền xốp thì ph ơng trình Darcy trở thành: −