对热防护服设计的研究

刘美玉

摘要：本文针对高温作业下专用服装设计问题，考虑防护服材料、防护层厚度、空隙层厚度等方面的影响因素，运用了有限差分法算法，建立了热防护服传导-辐射模型，运用MATLAB软件编程求解，在模型假设成立的情况下，本文所建立的模型能够较为准确地进行热防护服性能的检测，从而更好地进行热防护服进行设计，以便于热防护服专用人员在高温环境下完成作业并避免高温灼伤。

关键词：热防护服；有限差分法；MATLAB；origin

1.模型的建立与求解

1.1具体问题

已知专用服装材料的某些参数值、环境温度为75℃、II层厚度为6 mm、IV层厚度为5 mm、工作时间为90分钟，实验中测量所得的假人皮肤外侧的温度已知，建立数学模型，在约束条件下计算出温度分布生成数据。

1.2问题一的模型建立与求解

1.2.1模型的建立

（1）一维径向传热模型。考虑到假人和防护服近似处理为同心圆柱体形状，将人体假定为一维径向传热的圆柱体，图1是覆盖了防护服的圆柱体系统计算模型的截面示意图：

在实际传热过程中，物质间的传热会受到多项因素的影响，本文就传热过程中影响因素最大的几项进行探究，针对材料的密度、比热容、厚度、传热系数、人体处在高温作业环境下的时间建立人体外侧温度的热传导方程。根据图2截面示意图可得防护服一维径向能量守恒方程[1]：

由于防护服与外界之间会进行热量的交换，因此防护服与外界环境之间受热的边界条件为：

（2）传导-辐射模型

假人穿着防护服时第Ⅳ层为空气层，空气层内的换热方式主要以对流和辐射传热为主，但是由于空气层最大厚度小于6.4mm，因此不需要考虑对流传热，故针对空气层传热方式为辐射传热，而Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层之间的传热为传导传热和辐射传热，故本文给出此防护服的传导-辐射模型[2]：

由于Ⅰ层与Ⅱ层接触面存在热量传递，故其接触面满足：

同理Ⅱ层与Ⅲ层之间的接触面满足：

此外还需要考虑热源到防护服之间的辐射和对流的热量为：

在对多层防护服的热传递模型中，采用显热容法描述防护服的比热变化，显热容的计算公式为：

本文给出有效传导率进行计算：

根据上述模型联立求解，可得一维瞬态传导-辐射传热方程：

1.2.2模型的求解

对上述一维瞬态传导-辐射传热方程运用有限差分法进行求解，求解步骤如下：

（1）区域的离散或子区域的划分；

（2）插值函数的选择；

（3）方程组的建立；

（4）方程组的求解；

防护服的初始条件：

防护服的左右邊界条件[3]分别为

将上述左右边界条件离散得到：

首先我们采用origin对表皮温度随时间变化进行多项式拟合得到下图：

得到拟合曲线是：

同时也画出四层温度分布图，如图3所示：

由上图四层温度分布图可知第Ⅱ层隔热效果最好，在不影响高温作业人员行动的情况下，可以增加第Ⅱ层厚度，降低人员受到伤害的可能性，得到结果。

1.2.3模型结果的分析

考虑到传热过程中热量的传递会受到材料本身密度、比热容、热传导率和厚度的影响，同时也考虑到人处于高温作业下的时间，这确保了能准确求出人体处于不同时间下的温度分布。由于人体并不是一个简单的圆柱体，所以在求解过程中也会造成一定的误差，但是在测验阶段此处理并不会造成实验数据的巨大误差。

2.误差分析与灵敏度分析

2.1误差分析

在进行求解概率分布时，由于将人体简化处理为一维圆柱体，故存在一定的误差，将曲线拟合的到的温度与实验数据的到温度进行对比，求得误差率为1.35%，故此模型可以使用。

2.2灵敏度分析

在进行隐含层与输出层之间的权值求解过程中，用L-K算法进行优化，将求解结果准确性提高到比较精确的程度。在实际求解过程中，当权值、防护服材料的特性或者约束条件在一定小范围内发生变化时，不会对防护服最优厚度的求解产生很大影响，但超出一定范围时，则会对最优解的计算有显著影响。

3.模型的评价

3.1模型的优点

（1）将人体和防护服各层简化为一维同心圆柱体，使模型求解简化；

（2）将传导-辐射模型转化为单变量、多变量方程，使求解过程大大简化。

3.2模型的缺点

（1）由于人体轮廓的不规则，且人体高温作业时因为各种行为姿势导致人体与防护层之间的空隙层厚度会发生变化，故求取结果与实际结果存在误差；

（2） 由于传热分为稳态传热和非稳态传热，而本文的模型是建立在稳态传热的基础上的，故此模型不能针对非稳态传热的情况；

（3） 由于并未考虑Ⅱ层厚度大于6.4mm时与其它各层之间对流传热，故会导致热量出现损失。

4.模型的改进

（1）可以根据人体轮廓建立三维热传导模型，以适应人体实际需要；

（2）可以考虑非稳态传热对其的影响；

（3）建立外界环境与I层之间的对流传热模型，减少热量的损失。

参考文献

[1] DAVID A TORVI，DALE J D.Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux[J].Fire Technology，1999，35（3）：210—231.

[2] 李振才. 人体造型解剖[M]. 济南：山东美术出版社，2001：5-10.Li Zhencai. Human Anatomy[M]. Jinan：Shangdong Fine Arts Publishing House，2001：5-10.

[3] TORVIDA. Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux conditions[D].Edmonton：University of Alberta，1997：1-134.

（作者单位：安徽理工大学测绘学院）