Từ việc phân tích các công trình và kết quả nghiên cứu về sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo cho thấy sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua quần áo còn ch−a đ−ợc nghiên cứu đầy đủ. Trong điều kiện này, ảnh h−ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo đến đặc tr−ng truyền nhiệt và truyền ẩm của quần áo cũng ch−a đ−ợc đề cập đến một cách sâu sắc.
Để góp phần hoàn thiện những nghiên cứu về sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo nhằm nâng cao đặc tính vệ sinh của sản phẩm may mặc, luận án sẽ tập trung giải quyết các vấn đề sau:
1. Mô phỏng số sự truyền nhiệt và truyền ẩm đồng thời qua kết cấu lớp quần áo trong chế độ ổn định và điều kiện không khí chuyển động.
2. Nghiên cứu thiết kế mô hình thực nghiệm xác định đặc tr−ng truyền nhiệt và truyền ẩm của kết cấu lớp quần áo. Sử dụng mô hình để tiến hành những thực nghiệm làm cơ sở để kiểm chứng kết quả mô phỏng.
3. ứng dụng mô hình số để nghiên cứu ảnh h−ởng của tính chất vật lý và cấu trúc quần áo đến nhiệt trở và ẩm trở của kết cấu lớp quần áo. áp dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng một số chỉ dẫn dự báo nhiệt trở và ẩm trở của kết cấu lớp quần áo bảo hộ lao động trong môi tr ờng nóng ở Việt Nam. −
Ch−ơng 2
đối t−ợng, ph−ơng pháp và Nội dung nghiên cứu
2.1. Đối 2.1. Đối 2.1. Đối 2.1. Đối
2.1. Đối ttttt−−−−−ợng nghiên cứu ợng nghiên cứu ợng nghiên cứu ợng nghiên cứu ợng nghiên cứu 2.1.1. Vải
Xuất phát từ những vấn đề nghiên cứu của luận án, để có thể có đ−ợc kết quả nghiên cứu phản ánh toàn diện sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo khi mặc trên cơ thể ng−ời trong những điều kiện khác nhau, các loại vải đ−ợc chọn để nghiên cứu cần có chức năng sử dụng, cấu trúc, thành phần xơ sợi khác nhau.
Do độ thẩm thấu không khí của vải có ảnh h−ởng quan trọng đến sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua quần áo nên các loại vải đ−ợc chọn để nghiên cứu cũng cần có độ thẩm thấu không khí khác nhau nhiều. Các mẫu vải đ−ợc chia thành hai nhóm, đó là vải thẩm thấu không khí tốt (dùng cho quần áo mặc lót, quần áo mùa hè và quần áo bảo hộ lao động (BHLĐ)) và vải thẩm thấu không khí kém (dùng cho quần áo mặc ngoài mùa đông).
Căn cứ vào những yêu cầu trên, 14 mẫu vải đã đ−ợc lựa chọn để nghiên cứu. Một số đặc tr−ng cấu trúc, kích th−ớc và khối l−ợng của các mẫu vải đ−ợc xác định theo các ph−ơng pháp tiêu chuẩn đ−ợc thể hiện trong bảng P1.1 của Phụ lục 1.
Trong luận án này, những tính chất vật lý và đặc tr−ng cấu trúc của vải đ−ợc chọn để nghiên cứu là độ thẩm thấu không khí, chiều dày và độ xốp.
Chiều dày
Theo chiều dày, có thể chia vải thành ba lớp, đó là lớp lõi gồm các sợi đan với nhau và hai lớp bề mặt gồm các đầu xơ nhô lên [90].
Chiều dày quy −ớc của vải đ−ợc xác định theo tiêu chuẩn TCVN 5071-90 và ISO 2286/3-98 luôn nhỏ hơn chiều dày của vải ở trạng thái tự do do khi đo vải bị nén bằng một lực nhất định. Nhìn chung thì giá trị chiều dày này chỉ phản ánh chiều dày phần lõi của vải. Trong khi đó, chiều dày và dạng bề mặt vải có ảnh h−ởng quan trọng đến sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua vải [90]. Hơn nữa khi các lớp vải đ−ợc
đặt sát nhau, do tồn tại lớp đầu xơ trên mỗi bề mặt vải nên chiều dày của kết cấu gồm nhiều lớp vải đặt sát nhau sẽ lớn hơn đáng kể so với tổng chiều dày phần lõi của tất cả các lớp.
Chính vì vậy, trong luận án này, thông số chiều dày của vải đã đ−ợc chọn làm thông số cấu trúc thay cho chiều dày quy −ớc.
Độ xốp
Độ xốp của vải đ−ợc đặc tr−ng bằng tỷ lệ giữa phần thể tích không chứa xơ của mẫu vải và thể tích của toàn bộ mẫu vải. Độ xốp của vải là một trong những đại l−ợng đặc tr−ng cho độ chứa đầy thể tích của vải. Trong những vật thể có cấu trúc xốp, do không khí bị chia thành những khoang nhỏ nên quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm qua đó khác nhiều so với vật rắn đồng nhất.
Độ thẩm thấu không khí
Độ thẩm thấu không khí của vải là thông số đặc tr−ng cho khả năng của vải cho không khí đi qua. Khả năng thẩm thấu không khí của vải phụ thuộc rất nhiều vào thông số hình học của vải mà kích th−ớc lỗ rỗng trong vải là thông số hình học đặc tr−ng nhất. Trong luận án này, để mô phỏng sự truyền nhiệt và truyền ẩm qua vải, đại l−ợng độ thẩm thấu không khí theo hệ Darcy [50] đặc tr−ng cho diện tích lỗ rỗng trong vải đã đ ợc sử dụng. −
2.1.2. Kết cấu lớp quần áo
Khái niệm “kết cấu lớp quần áo” đ−ợc hiểu là kết cấu bao gồm những lớp vật liệu và lớp không khí tính từ bề mặt da đến bề mặt bên ngoài của lớp vật liệu ngoài cùng của quần áo khi đ−ợc mặc trên cơ thể ng−ời. Tiếp theo đây “kết cấu lớp quần áo” sẽ đ−ợc gọi tắt là “kết cấu lớp” hoặc “kết cấu”.
Các kết cấu lớp quần áo đ−ợc chọn theo nội dung nghiên cứu và cần đảm bảo tính đại diện cho kết cấu lớp trong các chủng loại quần áo khi đ−ợc mặc trên cơ thể ng−ời trong cả điều kiện môi tr−ờng nóng và lạnh. Để đảm bảo yêu cầu trên, các kết cấu lớp đ−ợc chọn để nghiên cứu cần có sự khác biệt theo những đặc tr−ng sau:
- Số lớp vải (từ 1 đến 4 lớp vải)
- Có và không có lớp vải mặc lót bó sát ng−ời
- Vị trí và chiều dày lớp không khí - Độ che phủ
Các kết cấu lớp đ−ợc chia thành 3 nhóm theo vị trí các lớp vải và lớp không khí t−ơng ứng với những kết cấu lớp quần áo khi đ−ợc mặc trên cơ thể ng−ời nh− sau (hình 2.1):
Nhóm 1- Kết cấu 1 lớp vải bó sát da: t−ơng ứng là kết cấu lớp của quần áo 1 lớp bó sát da hoặc tại những khu vực mà quần áo tiếp xúc trực tiếp với da. Kết cấu này th−ờng gặp đối với quần áo sử dụng trong môi tr−ờng nóng và quần áo mặc lót mùa lạnh.
Nhóm 2- Kết cấu gồm 1 lớp vải và 1 lớp không khí sát da: t−ơng ứng là những kết cấu lớp trong quần áo 1 lớp và không bó sát. Kết cấu này th−ờng gặp đối với quần áo trong môi tr−ờng nóng.
Nhóm 3- Kết cấu gồm 1 lớp vải mặc lót bó sát da, 1 lớp không khí và 1 hoặc nhiều lớp vải ngoài: t−ơng ứng là những kết cấu lớp trong hệ thống nhiều lớp quần áo bao gồm quần áo mặc lót bó sát da và quần áo mặc ngoài có thể có 1 hoặc nhiều lớp vải. Kết cấu này th−ờng gặp đối với quần áo sử dụng trong mùa lạnh. Đối với nhóm kết cấu này, các lớp vải ngoài gần nh− là xếp sát nhau và đ−ợc xem nh− 1 lớp vải t−ơng đ−ơng [61]. Kết cấu nhóm 2 D a K hô ng k hí V ải Kết cấu nhóm 3 D a V ải K hô ng k hí V ải D a V ải Kết cấu nhóm 1
Mỗi kết cấu lớp quần áo đ−ợc đặc tr−ng bằng những thông số cấu trúc sau: Chiều dày lớp không khí
Đối với kết cấu nhóm 2, lớp không khí nằm giữa da và vải (đ−ợc gọi là lớp không khí vùng vi khí hậu), còn đối với kết cấu nhóm 3, lớp không khí nằm giữa lớp vải mặc lót và lớp vải ngoài. Chiều dày các lớp không khí này đ−ợc xác định là khoảng cách từ bề mặt da (đối với kết cấu nhóm 2) hoặc từ bề mặt bên ngoài của lớp vải mặc lót (đối với kết cấu nhóm 3) đến bề mặt bên trong của lớp vải ngoài.
Chiều dày kết cấu lớp
Chiều dày kết cấu lớp đ−ợc xác định là tổng chiều dày của tất cả các lớp vải và các lớp không khí của kết cấu.
Độ che phủ
Độ che phủ của quần áo đ−ợc xác định là tỷ lệ phần trăm giữa phần bề mặt da đ−ợc phủ quần áo và tổng diện tích bề mặt da của cơ thể. Trong nghiên cứu này, quần áo có cấu trúc dạng hở đ−ợc mô phỏng d−ới dạng quần áo không che kín phần bề mặt phía d−ới của cơ thể ng−ời.
Trong luận án này, mỗi kết cấu lớp quần áo đ−ợc quy −ớc ký hiệu bao gồm 2 đến 3 thành phần: ký hiệu của các lớp vải theo trình tự tính từ bề mặt da ra ngoài, chiều dày lớp không khí, độ che phủ (đối với kết cấu dạng hở). Ký hiệu của các lớp vải thành phần trong kết cấu đ−ợc ngăn cách bằng một dấu “+”. Ký hiệu của những lớp vải đặt sát nhau đ−ợc đặt trong một cặp ngoặc đơn.
Các kết cấu lớp đ−ợc lựa chọn theo nội dung nghiên cứu cụ thể và thông số cấu trúc của các kết cấu lớp này đ−ợc thể hiện trong bảng P10.1 của Phụ lục 10.
2.1.3. Hệ thống quần áo
Các hệ thống quần áo đ−ợc lựa chọn để áp dụng kết quả nghiên cứu là hai hệ thống quần áo bảo hộ lao động trong môi tr−ờng nóng ở Việt Nam (hình P15.1, hình P15.2 của Phụ lục 15). Trong đó, mỗi hệ thống quần áo bao gồm một quần mặc lót, một bộ quần áo mặc ngoài.
2.2. Ph2.2. Ph 2.2. Ph 2.2. Ph
2.2. Ph−−−−ơng pháp nghiên cứu −ơng pháp nghiên cứu ơng pháp nghiên cứu ơng pháp nghiên cứu ơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Ph−ơng pháp phần tử hữu hạn
2.2.1.1. Cơ sở tính toán bằng ph−ơng pháp phần tử hữu hạn
Ph−ơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một ph−ơng pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm ch−a biết trong miền xác định V của nó. Tuy nhiên ph−ơng pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền V mà chỉ tìm trong từng miền con (phần tử) thuộc miền xác định V. Do vậy ph−ơng pháp này rất thích hợp với những bài toán vật lý và kỹ thuật trong đó hàm cần tìm đ−ợc xác định trên những miền phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học và vật lý khác nhau, chịu những điều kiện biên khác nhau.
Trong ph−ơng pháp phần tử hữu hạn, miền V đ−ợc chia thành một số hữu hạn các miền con gọi là các phần tử. Các phần tử này đ−ợc nối với nhau tại các điểm định tr−ớc trên biên phần tử và đ−ợc gọi là nút. Trong mỗi phần tử, đại l−ợng cần tìm đ−ợc lấy xấp xỉ theo một hàm dạng đơn giản đ−ợc gọi là hàm xấp xỉ. Các hàm xấp xỉ này đ−ợc biểu diễn bằng các giá trị của hàm (hoặc các giá trị của đạo hàm của nó) tại các điểm nút trên phần tử. Các giá trị này đ−ợc gọi là các bậc tự do của phần tử và đ−ợc xem là ẩn số cần tìm của bài toán.
Các ẩn số sẽ tìm đ−ợc bằng việc giải một hệ ph−ơng trình đại số. Từ đó, ta cũng tìm đ−ợc các xấp xỉ biểu diễn đại l−ợng cần tìm trong tất cả các phần tử và các đại l−ợng còn lại.
Để phân tích một bài toán theo ph−ơng pháp phần tử hữu hạn, trình tự tiến hành nh− sau [21]:
B−ớc 1: Rời rạc hóa miền khảo sát
Trong b−ớc này, miền khảo sát V đ ợc chia thành các miền con V− e hay thành các phần tử có dạng hình học thích hợp. Số phần tử, hình dạng hình học cũng nh− kích th−ớc của mỗi phần tử phải đ−ợc xác định rõ. Số điểm nút của mỗi phần tử đ−ợc lấy tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn.
Hàm xấp xỉ đ−ợc chọn ở dạng đơn giản và phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tụ. Thông th−ờng hàm xấp xỉ đ−ợc chọn ở dạng đa thức. Biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị và có thể là các đạo hàm của nó tại các nút của phần tử.
B−ớc 3: Xây dựng ph−ơng trình phần tử
Có thể thiết lập ph−ơng trình phần tử bằng nhiều cách. Ph−ơng trình phần tử đ−ợc biểu diễn một cách hình thức ở dạng:
[ ] { } { }K e. q e= P e (2.1) B−ớc 4: Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô hình t−ơng thích và nhận đ−ợc hệ thống ph−ơng trình:
[ ]K.{ }q ={ }P (2.2) Trong đó: [K]- ma trận hệ số toàn miền
{ }q - vec-tơ tập hợp các giá trị đại l−ợng cần tìm tại các nút. { }P - vec-tơ các số hạng tự do tổng thể
áp các điều kiện biên của bài toán và nhận đ−ợc hệ ph−ơng trình để giải:
[ ]K* .{ } { }q* = P* (2.3)
B−ớc 5: Giải hệ ph−ơng trình đại số
Với bài toán tuyến tính, việc giải các ph−ơng trình đại số không khó khăn. Nh−ng với những bài toán phi tuyến, nghiệm sẽ đạt đ−ợc sau một chuỗi các b ớc lặp − mà sau mỗi b−ớc ma trận hệ số toàn miền sẽ thay đổi (trong bài toán phi tuyến vật lý) hay vec-tơ các số hạng tự do tổng thể thay đổi (trong bài toán phi tuyến hình học)
B−ớc 6: Hoàn thiện
Từ kết quả giải hệ ph−ơng trình đại số, tiếp tục tìm giá trị các đại l−ợng cần tìm của tất cả các phần tử.
2.2.1.2. Mô phỏng số bằng ph−ơng pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm tính toán động lực học dòng chảy ANSYS CFX
Mô phỏng là một ph−ơng pháp nghiên cứu còn mới song nó đã có một vị trí quan trọng trong khoa học cũng nh− trong đời sống. Sử dụng ph−ơng pháp mô
phỏng, rất nhiều công trình nghiên cứu đ−ợc thực hiện mà không cần tới các thí nghiệm phức tạp, tốn kém về thời gian và kinh tế, đồng thời vẫn cho phép xác định chính xác các thông số cần thiết.
Mô phỏng số một quá trình thực chất là giải các ph−ơng trình toán (mô hình toán) mô tả quá trình đó bằng các ph−ơng pháp số. Kết quả thu đ−ợc có thể là những con số hoặc là những hình ảnh, đồ thị.
Trong lĩnh vực tính toán động lực học dòng chảy, CFD (Computational Fluid Dynamics) là một công cụ tính toán mô phỏng ứng xử của hệ thống bao gồm dòng chất lỏng, truyền nhiệt và những quá trình vật lý liên quan khác. Công cụ tính toán này thực hiện việc giải những ph−ơng trình dòng chất lỏng và ph ơng trình truyền − nhiệt (ở một dạng đặc biệt) trong một miền khảo sát với những điều kiện biên xác định và đã biết của miền đó.
Những ph−ơng trình mô tả chuyển động của dòng chất lỏng là những ph−ơng trình Navier- Stokes. Những ph−ơng trình đạo hàm riêng này đ−ợc đ−a ra vào đầu thế kỷ 19. Đến nay, có nhiều phần mềm tính toán CFD đã đ−ợc phát triển và sử dụng để giải các ph−ơng trình này. CFD thực sự đã trở thành một công cụ thiết kế công nghiệp hiệu quả, giúp giảm chi phí thời gian và cải thiện quá trình thiết kế. Nhờ những tiến bộ về sức mạnh tính toán cũng nh− kỹ thuật đồ họa và t−ơng tác 3D mà quá trình tạo mô hình CFD và phân tích kết quả tốn ít sức lực, giảm đáng kể thời gian và giá thành. Ph−ơng pháp giải chứa những thuật toán cho phép giải linh hoạt những tr−ờng dòng trong một thời gian hợp lý. CFD cho phép thực hiện nghiên cứu thử nghiệm trên những mô hình tỷ lệ và có thể thực hiện những thay đổi trong mô hình mô phỏng một cách nhanh chóng.
Hiện nay, trên thế giới đã phát triển nhiều phần mềm tính toán động lực học dòng chảy nh− phần mềm STAR-CD, FLUENT, ANSYS CFX,... Với một dòng chảy d−ới âm, dòng thực (có nhớt) và có sự kết hợp các miền khảo sát có cấu trúc khác nhau (rắn, lỏng và xốp) thì phần mềm CFX cho khả năng đáp ứng tốt hơn [69]. Hơn nữa, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng phần mềm công nghiệp (DASI) đã có bản quyền sử dụng phần mềm này. Vì thế, để mô phỏng dòng chảy, sự truyền nhiệt và truyền ẩm trong nghiên cứu này, phần mềm ANSYS CFX 10.0 đã đ−ợc sử dụng.
Phần mềm ANSYS CFX bao gồm 5 mô-đun t−ơng ứng thực hiện các chức năng tạo ra những thông tin cần thiết đối với một phân tích CFD (hình 2.2):
CFX CAD2 Mesh or Mesh Generation Software
ANSYS CFX- Pre (Physics Pre- processor)
ANSYS CFX- Solver (Solver)
ANSYS CFX- Solver Manager