مروری بر انتقال حرارت در منسوجات بخش دوم: مطالعات مدل‌سازی

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

1 یزد، دانشگاه یزد، مجتمع فنی و مهندسی، دانشکده مهندسی نساجی

2 عضو هیات علمی دانشکده مهندسی نساجی دانشگاه یزد

چکیده

درک تأثیر پارامترهای ساختاری و هندسی منسوجات بر خواص فیزیکی و حرارتی آن­ها، با روش­های شبیه‌سازی و مدل‌سازی امکان­پذیر است. مطالعات مختلفی جهت مدل‌سازی انتقال حرارت در منسوجات، به منظور تعیین نحوه توزیع حرارت در منسوج، محاسبه ضریب هدایت حرارتی و یا مقاومت حرارتی انجام شده است. از روش­های مدل­سازی، برای بیان ریاضی پدیده انتقال حرارت استفاده می­شود. این روش­ها، عمدتاً بر اساس هندسه هستند که به مدل­سازی بر اساس روابط مقاومت­ها، اجسام دوفازی و حل معادلات بر مبنای روش­های تحلیلی و عددی تقسیم می­شوند. در مطالعاتی که یک منسوج به صورت کلی یا مجموعه­ چند لایه، مورد بررسی است، به ترتیب قوانین اجسام دوفازی و روابط مقاومت­ها مورد استفاده قرار می­گیرند. حل تحلیلی در مسائل ساده یا مسائلی که بتوان آن‌ها را با تقریب‌های قابل قبولی ساده کرد، استفاده می­شود و حل عددی، در مسائل پیچیده­تر با روش­های تفاضل محدود، اجزای محدود و حجم محدود انجام می­شود. در این مطالعه، پژوهش­های انجام شده در زمینه روش­های مدل‌سازی جهت تعیین خواص حرارتی منسوجات مرور شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Heat Transfer in Textiles, Part 2: Review of Modeling Studies

نویسندگان [English]

  • Neda Dehghan 1
  • Pedram Payvandy 2
1 Department of Textile Engineering, Faculty of Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
چکیده [English]

The effect of structural and geometrical parameters of textiles on their physical and thermal properties can be understood using simulation and modeling methods. Various studies have been conducted to model the heat transfer in textiles to determine their temperature distributions and thermal conductivities. The geometry and composition of materials should be introduced to these models by a network of nodes related to each other by a series of heat transfer equations.  The heat transfer equations are solved simultaneously by numerical methods by considering the boundary conditions. To study the heat transfer through textiles, one can use the corresponding equations for porous materials. The analytical solution is used in relatively simple/simplified problems with acceptable approximations, and the numerical solution is employed for solving more complex problems with finite difference methods, finite components, and finite volume. This study reviews the research on modeling methods to determine the thermal properties of textiles.

کلیدواژه‌ها [English]

  • heat transfer
  • Geometric modeling
  • Analytical methods
  • Numerical method
  • Simple geometric models
[1] Bhattacharjee, D., and Kothari, V. K., Heat transfer through woven textiles. Int. J. Heat and Mass Trans., 52, 2155-2160, 2009.
[2] سنجل، ی. الف.، قجر، الف. ج.، مترجمان: عالم رجبی، ع. الف.، نصرآزادانی، ع.، یدالله پور، م.، انتقال گرما و جرم، ویرایش چهار. 1393.
[3] Ismail, M. I., Ammar, A. S. A., and El-Okeily, M., Heat transfer through textile fabrics: mathematical model. Appl. math. model., 12, 434-440, 1988.
[4] Shen, H., Tu, L., Yan, X. and Sukigara, S., Obtaining the thermal resistance of air enclosed at the interface of multilayer fabrics by simulation. Tex. Res. J., 89, 3178-3188, 2019.
[5] Das, A., Alagirusamy, R., and Kumar, P., Study of heat transfer through multilayer clothing assemblies: a theoretical prediction, AUTEX. Res. J., 11, 54-60, 2011.
[6] Ziaei, M., and Ghane, M., Thermal insulation property of spacer fabrics integrated by ceramic powder impregnated fabrics. J. Indus. Tex., 43, 20-33, 2013.
[7] Schuhmeister, J., Ber. K. Akad. Wien (Math.-Naturw. Klasse), 76, 283, 1877.
[8] Lizák, P., and Mojumdar, S. C., Influence of the material structure on the thermal conductivity of the clothing textiles. J. Thermal. Analy. Calorimetry., 119, 865-869, 2015.
[9] Fricke, H., A mathematical treatment of the electric conductivity and capacity of disperse systems I. The electric conductivity of a suspension of homogeneous spheroids. Phys. Rev., 24, 575, 1924.
[10] Arumugam, V., Mishra, R., Militky, J., and Salacova, J., Investigation on thermo-physiological and compression characteristics of weft-knitted 3D spacer fabrics. J. Tex. Ins., 108, 1095-1105, 2017.
[11] Schuster, J., Heider, D., Sharp, K., and Glowania, M., Measuring and modeling the thermal conductivities of three-dimensionally woven fabric composites. Mech. Composite. Mat.45, 165, 2009.
[12] Ukponmwan, J.O., The thermal-insulation properties of fabrics. Tex. Prog., 24, 1-57, 1993.
[13] Stark, C. and Fricke, J., Improved heat-transfer models for fibrous insulations. Int. J. Heat and Mass. Trans., 36, 617-625, 1993.
[14] Mao, N., and Russell, S. J., The thermal insulation properties of spacer fabrics with a mechanically integrated wool fiber surface. Tex. Res. J., 77, 914-922, 2007.
[15] Wei, J., Xu, S., Liu, H., Zheng, L., and Qian, Y., Simplified Model for Predicting Fabric Thermal Resistance According to its Microstructural Parameters. Fibres. Tex. East. Eur., 23, 57-60, 2015.
[16] Cimilli, S., Nergis, F. B. U., and Candan, C., Modeling of heat transfer measurement unit for cotton plain knitted fabric using a finite element method. Tex. Res. J., 78, 53-59, 2008.
[17] Barauskas, R., and Abraitiene, A., A model for numerical simulation of heat and water vapor exchange in multilayer textile packages with three-dimensional spacer fabric ventilation layer. Tex. Res. J., 81, 1195-1215, 2011.
[18] Siddiqui, M. O. R., and Sun, D., Automated model generation of knitted fabric for thermal conductivity prediction using finite element analysis and its applications in composites. J. Indus. Tex., 45, 1038-1061, 2016.
[19] Ran, X. J., Zhu, Q. Y., and Li, Y., Investigation on heat and mass transfer in 3D woven fibrous material. Int. J. Heat and Mass. Trans., 54, 3575-3586, 2011.
[20]Puszkarz, A. K., and Krucinska, I., The study of knitted fabric thermal insulation using thermography and finite volume method. Tex. Res. J., 87, 643-656, 2017.
[21] Fontana, É., Donca, R., Mancusi, E., Ulson de Souza, A. A., and Guelli Ulson de Souza, S. M., Mathematical modeling and numerical simulation of heat and moisture transfer in a porous textile medium. J. Tex. Ins., 107, 672-682, 2016.
[22] Majumdar, A., Modelling of thermal conductivity of knitted fabrics made of cotton–bamboo yarns using artificial neural network. J. Tex. Ins., 102, 752-762, 2011.
[23] Ghorbani, E., Zarrebini, M., Hasani, H., and Shanbeh, M., Modeling the Moisture and Heat Transfer of Warp Knitted Spacer Fabrics Using Artificial Neural Network Algorithm. Tex. Light. Indus. Sci. Tech., 4, 17-26, 2015.
[24] Fayala, F., Alibi, H., Benltoufa, S., and Jemni, A., Neural Network for Predicting Thermal Conductivity of Knit Materials. J. Eng. Fabrics and Fibers., 3, 53-60, 2008.
[25] Zhu, F., and Li, K., Determining effective thermal conductivity of fabrics by using fractal method. Int. J. Thermophysics., 31, 612-619, 2010.
[26] Shabaridharan, K., and Das, A., Modeling of thermal properties of multilayered fabrics by ANN consisting of polypropylene needle-punched nonwovens.  J. Tex. Ins., 105, 109-118, 2014.
 [27] اینکروپرا، ف. پ.، پی دویت، د.، مترجمان، رستمی، ع. الف.، شیرازی، م.، مقدمه‌ای بر انتقال گرما. ویرایش چهار. 1385.
[28] Cengel, Y. A., Heat tranfer a practical approach. McGraw-Hill. 2003.
[29] قدیمی، پ.، دینامیک سیالات محاسباتی کاربردی - جلد اول (مبتنی بر روش‌های عددی تفاضل محدود، اجزاء محدود و حجم محدود). 1394.
[30] معدولیت، ر.، فرجی، م.، روش اجزاء محدود. 1386.
[31] Wang, J., Carson, J.K., North, M.F. and Cleland, D.J., A new approach to modelling the effective thermal conductivity of heterogeneous materials. Int. J. Heat Mass trans., 49, 3075-3083, 2006.
[32] Eucken, A., Allgemeine gesetzmäßigkeiten für das wärmeleitvermögen verschiedener stoffarten und aggregatzustände. Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens., 11, 6-20, 1940.
[33] Maxwell, J. C., A Treatise on Electricity and Magnetism, third ed., Dover Publications Inc., New York, reprinted (Chapter 9), 1954.
[34] Landauer, R., The electrical resistance of binary metallic mixtures. J. Appl. Phys., 23, 779-784. 1952.
[35] Bottcher, C. J. F., van Belle, O. C., Bordewijk, P., Rip, A., Theory of electric polarization. Elsevier Science Ltd. 1978. 
[36] Barauskas, R., Sankauskaite, A., and Abraitiene, A., Investigation of the thermal properties of spacer fabrics with bio-ceramic additives using the finite element model and experiment. Tex. Res. J., 88, 293-311, 2018.
[37] Matusiak, M., Modelling the thermal resistance of woven fabrics. J. Tex. Ins., 104, 426-437. 2013.
[38] Huang, J., Wu, J. and Xu, W., Coupling effects of steady-state heat and water vapor transfer through fabrics. Tex. Res. J., 84, 2157-2165. 2014.
[39] Kothari, V. K., & Bhattacharjee, D. Prediction of thermal resistance of woven fabrics. Part I: Mathematical model. J. Tex. Ins., 99, 421-432, 2008.
[40] Zhu, G., Kremenakova, D., Wang, Y., Militky, J., and Mazari, F. B., An analysis of effective thermal conductivity of heterogeneous materials. AUTEX. Res. J., 14, 14-21, 2014.
[41] Sun, Z. and Pan, N., Thermal conduction and moisture diffusion in fibrous materials, in Thermal and moisture transport in fibrous materials, Pan, N. and P.Gibson, Editors. Woodhead Publishing Ltd: North America, 439-466, 2006.
 [42] Fan, J., Luo, Z., and Li, Y., Heat and moisture transfer with sorption and condensation in porous clothing assemblies and numerical simulation. Int. J. Heat and Mass. Trans., 43, 2989-3000, 2000.
[43] Zhang, Q., and Sun, W., A numerical study of air–vapor–heat transport through textile materials with a moving interface. J. Comput. Appl. Math., 236, 819-833, 2011.
[44] Shen, H., Yokoyama, A., and Sukigara, S., Modeling of heterogeneous heat transfer in fabrics. Tex. Res. J., 88, 1164-1172, 2018.
[45] Zheng, Z., Wang, H., Zhao, X., and Zhang, N., Simulation of the effects of structural parameters of glass fiber fabric on the thermal insulation property. Tex. Res. J., 88, 1954-1964, 2018.
[46] Siddiqui, M. O. R., and Sun, D., Thermal analysis of conventional and performance plain woven fabrics by finite element method. J. Indu. Tex., 48, 685-712, 2018.
[47] Siddiqui, M. O. R., Sun, D., and Butler, I. B., Geometrical modelling and thermal analysis of nonwoven fabrics. J. Indu. Tex., 48, 405-431, 2018.