高温防护服温度分布解析研究

李咸宁 于桐 李姗然

摘 要：本文研究多层织物材料高温作业专用服装的防护性能问题。通过考虑不同织物材料的传热特性，建立求解多层织物材料在传热过程中温度分布的解析模型。

通过将人体模型简化，在已知各织物材料厚度的情况下，根据各材料的热学参数以及环境参数，建立热传递偏微分方程模型。最后将所求得的初始状态作为热传递模型的迭代初值，求解多层织物材料的温度分布随时间的变化情况，以及皮肤外侧温度随时间的变化情况。

关键词：高温隔热服 ;热传递;温度分布

引言

在高温环境下工作时，人们需要穿着专用服装以避免灼伤。专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间还存在空隙，将此空隙记为IV层。考虑到高温作业服需要在较高的环境温度下，在一定的时间内保持其内部温度处于较低的水平，从而为作业人员提供防护，所以其多层材料的温度分布始终随时间变化，直到高温作业结束或达到新的热平衡。

1. 高温作业服热传递模型

考虑到假人模型的复杂性，以及局部热蓄能过高而导致的假人皮肤外侧温度不均匀，因而将假人模型与高温作业服分别简化为圆柱体和包裹着圆柱的环形柱体。

由于高温作业服不同位置处的温度始终随时间变化，因此该问题属于非稳态热传导问题。为了获得I层到IV层的温度分布，引入由傅里叶定律推导出的三维非稳态导热微分方程，见公式：

针对高温作业服的具体设计，根据生产生活的实际情况，本文假设服装同一厚度处温度的分布与形状无关，由此可将三维立体的热传递简化为一维热传递模型，又由于高温作业服内部无热源，故上式可简化为无内源且仅沿 轴方向热传递温度变化的非稳态导热微分方程：

在I层至假人皮肤表面层之间，不同的材料区域分别满足其对应的导热微分方程，但由于导热系数的阶跃式变化，在求解时应采取分区域的方式。在假定相邻两种材料接触良好的情况下，用界面连续条件使不同材料上的温度分布在分界面处可彼此相连，即满足分界面上温度与热流量密度相等，以使该高温工作服每时刻的温度分布均为一条平滑连续的曲线。

2. 各层材料初始参数反求模型

在判断出导热物体的边界条件后，还要确定不同接触表面的初始时刻的温度分布条件。该模型在一定的精度条件下，对高温工作服与环境温度的接触表面温度进行遍历，并将初始时刻的温度分布简化为一维稳态导热问题，即每一单层均符合温度沿 轴方向成线性分布，可解得每一层的温度分布如公式：

在高温防护服最内侧界面初始温度已知的情况下，设定防护服最外侧界面初温为某一遍历值，在不考虑能量损耗的情况下，利用界面连续条件对上述公式求解可得各层界面初始温度与此时热流密度：

为各材料分界面温度。在遍历求出各织物初始温度后，可根据此初始温度和边界条件求出假人皮肤外表面的温度分布，分别将得出的假人皮肤外表面温度与题中已知的假人温度分布做误差分析，选取二者误差最小的初始温度，作为模型的温度初值。

3 .模型求解

求解高温作业防护服装每一时刻的温度分布首先需要反求初始温度分布，带入高温防护服最内层界面初始温度37℃，通过遍历最外层界面温度，利用上节中推导的公式，得到防护服初态温度分布曲线如图2所示。

其中，多层织物材料最外层界面初始温度为 ，I、II层界面初始温度为 ，II、III层界面初始温度为 ，III、IV层界面初始溫度为 ，最内侧界面初始温度为已知条件 。

针对反求模型的求解结果，可以了解到在实验记录开始时，外界温度大致在40℃左右;针对热传递模型的求解过程，可以了解到，在该次实验中高温作业防护服的多层织物材料首先经历大约27分钟的非稳态传热过程，之后达到热稳态。

结论：

本文针对两个问题分别建立了基于传热学的高温作业服热传递模型以及基于遍历法的反求实验初始状态解析模型。其中求解温度分布的解析模型，将人体近似看成圆柱形，既使工程问题得到合理简化，同时也考虑了人体尺寸对热传导的影响。

参考文献：

[1]张昭华.衣下空气层厚度对着装人体热传递的影响[J].纺织学报，2010，31（12）

[2]潘斌.热防护服装热传递数学模型及参数决定反问题[D].