基于计算机仿真的高温作业服设计分析

石鎏 赵飞 王玉昆

摘 要：本文研究了高温作业专用热防护服材料的热传导问题，为热防护服的功能性设计提供方案和参考。首先分析各项因素对热传导过程的影响，基于合理假设简化模型，根据热学相关定理，建立"热防护服-空气层-人体"的热传导模型，为分析后续问题奠定基础。其次建立"Ⅱ层织物厚度-温度分布"的关系，已知Ⅱ层织物厚度的范围，本文从此范围里差分取特殊值用计算机进行数据处理，得到一系列与Ⅱ层厚度有关的温度分布情况。最后利用value 评估函数，来对该范围内的各厚度值进行评估，具有较高经济型和舒适度的Ⅱ层织物材料厚度为10.5mm。

关键词：高温作业专用服装;热传导模型;有限差分法

引言

在消防和工业生产过程中，工作人员常常工作于高温环境下，需要穿着专用服装。避免皮肤灼伤。高温作业专用服装不仅具有普通防护服的服用性能，更必须具备在高温条件下对人体进行安全防护的功能。高温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气层，将此空气层记为 IV 层，可以起到缓冲传热的作用。热防护服使人体表皮温度在规定时间内维持在安全值范围内，是人体安全的重要保证。

1 .热传导基础模型建立

假设人体体内的温度恒定为 37℃，假设各织物层之间接触紧密，不考虑各层之间交界处的热阻，以热防护服最外侧与实验室高温环境接触处为坐标原点建立坐标系，x 轴正向指向皮肤方向，可得 “多层热防护服—空气层—人体”的系统。

根据传统的 Pennes 的生物热传导模型，假设组织是连续性介质，将织物的热传导性质同性化到各类皮肤组织的热传导性质上，即可将该系统完善为从实验室的恒定高温热源到假人体内 37℃的恒定低温热源之间共有七层导热介质的双热源一维导热系统。

对于所建立的有双热源的一维非稳态导热过程的模型，根据假设可知该模型的各层导热材料的导热系数为常数，则根据传热学中导热微分方程的相關知识，得适合本系统的非稳态、有内热源的导热微分方程：

将导热层视为无限大的平板，平板两侧为有温差的恒温源，即平啊不能两侧对称受热，则公式简化为：

2 .最优解模型建立及求解

在既有假设下，当内外热源温度保持恒定，且各层导热介质的物理性质和厚度均不变时，经过足够长的时间，导热的结果会由非稳态发展为近似稳态，即各层各点的温度在最后维持一个相对固定的值。已知实验恒定高温TT  hiiiih 为 65℃，以及Ⅳ层空气层厚度为 5.5mm，Ⅱ层厚度为未知量，易知每一个δδ都对应一个“时间—空间”区域的温度分布。视δδ为自变量，则温度 T 的分布函数就是对应的因变量。

本文采用特征值拟合的方法来确认Ⅱ层厚度δδ满足的范围：在（0.6，25）范围内取所有的整数值进行特征值分析，由此得到每个特征厚度值下的温度分布。将每组温度分布的值中皮肤外表层的一些特征值与要求进行对比，包括稳态所达到的温度、到达稳态所需要的时间、60 分钟工作时间内超过 44℃的时间等等，从而一步一步缩小δδ的范围，经过多次的取特征值进行拟合之后，可以得到一个满足题意的最小值δδ mmiinn 的近似值。

易知当导热介质的厚度增加时，阻碍热量的传递，传热速率减慢，即当δδ增大时，同一个节点到达同样的温度的时间会延长。

接下来求δδ的最优解。当Ⅱ层织物厚度δδ增大时，最长安全工作时间就越长，这是由于织物厚度变大，热阻也会相应地变大。同时，越厚的织物有更好的储热能力，使得热通量不至于灼伤皮肤。然而，结合实际，太厚的织物不仅太过沉重不易穿戴，给高温工作者造成负担，而且根据很多研究表明，织物越厚储热能力也更强，以至于在离开高温环境时，给人体造成不同程度的烧伤。

在确保安全的条件下，舒适性和经济型是影响其是否达到最优性能的重要因素。当织物厚度增大时，它的体积随之增大，防护服的重量也随δδ的增大而增大，耗材和花费也增加，从而降低了经济型，又易知热防护服的舒适性随重量增大而变小，所以经济型和舒适性与材料厚度的关系均为负相关。

现用 value 评估函数来得δδ Ⅱ 的最优解：

结论：

本文通过分析各项因素对热传导过程的影响，基于合理假设简化模型，根据热学相关定理，建立“热防护服—空气层—人体”的热传导模型，为分析后续问题奠定基础。建立“Ⅱ层织物厚度—温度分布”的关系，已知Ⅱ层织物厚度的范围，利用value 评估函数，来对该范围内的各厚度值进行评估。

参考文献：

[1]卢琳珍. 多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定[D].浙江理工大学，2018.

[2]卢琳珍，徐定华，徐映红.应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测[J].纺织学报，2018，39（01）：111-118+125.