服装织物空气摩擦阻力建模及影响因子研究

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骑行比赛中,运动员为了取得更好的成绩,最重要的方法莫过于提升运动速度。减少运动过程中的阻力可以在很大程度上起到提升运动速度的作用。因此空气动力学专家们试图从各个方面来尽可能减少运动员前行中遇到的阻力。也有学者研究了由不同面料制成的服装的空气动力学性能。但是这些学者进行研究时采用计算公式的是空气阻力公式,而该公式中计算的空气阻力包含了形状阻力、机械碰撞阻力及空气摩擦阻力等各种阻力。只有空气摩擦阻力是受到织物表面形貌的影响而产生的。但是考虑到目前流体力学中关于服装表面减阻的相关研究中,还没有一个确切的评判指标,用来衡量服装表面减阻效能即织物的抗风阻性能。因此本课题在分析骑行运动过程中的受力因素的基础上,提出织物空气摩擦阻力系数.f这个指标,以期为织物的抗风阻性能提供一个衡量的标准。同时旨在研究不同织物的抗风阻性能及其影响因子,并找出造成该影响的内在原理。本文根据空气动力学原理及相关公式推导,建立了织物空气摩擦阻力模型P=f·ρ·vn。其中,P为压差/Pa;f为空气阻力系数,无量纲,数值小表示织物抗风阻性能越好;ρ为空气密度/(kg/m3),v为风速/(m/s)。本文设计了风洞实验方案将形状阻力和机械碰撞阻力排除,只测量由面料表面引起的空气摩擦阻力。根据已知条件选择搜寻法和最小二乘拟合准则,并结合风洞实验数据及VB编程对模型求解。得到未知参数n=2,故织物表面空气摩擦阻力模型为:P=fρv2采用统计量R2对织物空气摩擦阻力模型和样本数据进行拟合优度检验。结果表明,模型与样本数据拟合优度非常高,均在0.99以上。因此模型可靠度高。该模型在今后可用于衡量和计算织物的抗风阻性能。通过对织物空气摩擦阻力影响因子进行研究,主要有两点结论:一、蒸发速率越高的面料织物空气摩擦阻力系数低,抗风阻性能越好。这是由于蒸发速率高的纤维多属于合成纤维,纤维表面光洁,疵点较少。织成面料之后表面光洁,断纱较少,引起的风阻较小。当交织原料一定时,面料的空气摩擦阻力系数f随精梳棉所占比重的增加而增加。当交织比例为100:0时,fcoolmax<f锦纶<f莫代尔,即CoolMax纯纺面料的抗风阻性能最好,锦纶其次,莫代尔纯纺面料抗风阻性能最差。这是因为当交织比为100:0时,织物表面由组织结构引起的凹凸效应均匀整齐。在凹坑底部会产生涡垫效应,将将流体滑动摩擦转变为滚动摩擦,从而降低了流体经过凹坑壁面时的粘性阻力,最终起到了减小摩擦阻力的作用。当棉所占比重增加时,棉纤维表面有较多不规则分布的细小绒毛越多,将层流向紊流过度的转捩点提前,因而增加了面料的空气摩擦阻力系数。本课题的研究为衡量织物的抗风阻性能提供了一个参考指标,建立的织物空气摩擦阻力模型可为今后计算织物空气摩擦阻力系数提供一个计算方法。对影响织物抗风阻性能的研究可对今后设计低风阻织物提供一定的参考。
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