消防服用阻燃织物在火场环境下热湿耦合过程的研究进展

杨 柳,李 龙,房津田,杨 潘,王 丹,赵 静,吴亚楠

(1.西安建筑科技大学华清学院,陕西 西安 710043;2.陕西中天火箭技术股份有限公司,陕西 西安 710025;3.陕西生态水泥股份有限公司,陕西 西安 710000)

消防员灭火防护服属于热防护服的一种,是保护消防员人身安全的重要装备之一[1]。消防员在消防过程中主要的热伤害是由辐射造成的,一般能达到40 kW/m2。训练过程中,在燃烧房屋中的测试显示(如图1所示),消防员作业环境主要为5 kW/m2～10 kW/m2的辐射热,然而在某些点处的热载荷会骤升。例如,火灾现场曾测得42 kW/m2的辐射热。在高度为1米时,温度能达到100℃～190℃,极端情况下甚至高达278℃[2,3]。

图1 消防员所处的环境

美国消防安全协会(NFPA)规范NFPA-1971与欧洲标准规范EN-469,均要求热防护服必须由四层组成,即防火外层、防水透湿层、隔热防火层、舒适层。消防员在执行任务时,消防服可能会被水浸湿,部分水分会从消防服外层进入内层,出现外部高温和水分并存的热湿环境。消防员在高强度运动下,自身也会产生大量汗液,形成内部微循环的热湿环境[4]。因此,利用数值模拟建立完善的火场环境下的热湿耦合过程模型,对于保证消防员作业时着装安全,减少作战时伤亡是十分必要的。在此基础上亦可提高消防服质量检测的全面性及准确性,同时为阻燃面料的开发提供更可靠的依据。

1 消防员在作业环境下的热湿耦合作用机制

根据传热传质原理,织物系统内的热量传递和水分传递不是互相独立的过程[5]。原因在于:水分会改变织物的热导率、比热容等物理性能,以及辐射吸收系数、透过率等光学性质;水分在吸湿/解吸、蒸发/冷凝过程中均会吸收或释放热量,呈现出热湿耦合效应,导致织物及服装中的热传递机制发生变化。消防服系统中常见来自外界的水分以及人体出汗产生的水分,包括气态和液态[6,7]。以下将水分来源分为三类进行说明:

1.1 织物内部水分

探索织物中的水分对热传递的影响,是研究热湿耦合作用的第1阶段,此类研究大都采用织物预加湿的方法,忽略织物的吸湿过程[8]。Barker R L等人[9]研究发现:在热流密度为6.3 kW/m2的热暴露条件下,织物系统的热防护性能随着含水量的增加先下降后上升,含水量为织物质量的15%时,热防护性能最差。

针对消防服织物系统的多层构成特征,研究进一步细分各功能层中水分的具体影响。He J Z等人[10]针对外层织物进行了相关研究,试验表明:在15.4 kW/m2辐射热暴露水平下,相比0%、30%、100%的含水率水平,含水率为60%时其热防护性能最佳。Zhang H等人[11]针对隔热层进行相关试验,结果表明:在热暴露阶段,隔热层中含水率起到消极作用,而在综合考虑蓄热释放时,则呈现相反的规律。

防水透汽层作为消防服织物系统中特殊功能层,与水分相关的研究主要集中于其透湿能力与热防护能力之间的关系,研究结论并不统一。Barker R L等人[12]认为防水层透湿性对热防护性能影响较小;另有研究发现随着透湿性增加防护性能先增加后降低。可见,防水层对水汽的透过能力对热传递的作用机制复杂。

1.2 模拟动态出汗

采用预加湿方式研究热湿耦合作用,由于忽视了汗液在皮肤表面聚集以及从皮肤表面向织物的传递过程,使得研究结论产生一定偏差[13,14]。并且,预加湿方法中仅包含单一的织物干燥过程,未考虑人体动态出汗时对织物的持续润湿能力。

1.3 衣下空间含湿量

衣下空间的相对湿度升高对织物系统整体的热防护性起到积极影响[15]。面料含水时,最优空气层厚度远大于干态面料(水平方向6.4 mm,垂直方向6 mm)。这也证明了衣下空间含有水分时其传热机制会发生较大的变化。

2 数值模拟在复现火场极端环境下的应用

物理试验和数值模拟是目前评价和优化热防护服装或织物性能的重要手段。通过数值模拟可实现火场环境和传热过程的再现,但模拟物理试验尚不能真实反映复杂的火场环境[16],其主要目的是明确消防服热防护性能测试过程中的传热传质机理,从科学的角度分析造成人体皮肤烧伤的关键因素[17],CFD(computational fluid dynamics计算流体力学)模型作为重要的模拟方式,其建立的关键问题包括几何模型的建立、网格的划分、控制方程的建立、初始和边界条件的确定,以及求解方法的确定。

田苗等人[18]在基于裸体假人燃烧试验中,建立裸体假人CFD模型,通过试验验证模型的有效性获得模拟火场环境参数,并用于消防服模型的建立。朱方龙等人[19]依据纯火焰对流作用下的消防服传热机理,建立了服装直接接触火焰下的“火焰-服装-皮肤”系统传热模式,分析了服装接触火焰一侧的传热边界条件,对系统模拟进行了数值模拟计算的验证。结果表明,模型预测值能较好地模拟实际消防服织物的热防护性能值。但目前对消防服用阻燃多层织物热湿耦合作用机制理论与CFD结合模拟火场极端环境的相关研究鲜有涉及。

3 结语

利用数值模拟技术对消防服用多层阻燃织物在火场极端环境下热湿耦合过程的理论进行验证包括:首先,利用热湿耦合作用机制理论推导热湿传递相互作用的关系式,通过模拟软件验证理论推导;其次,确定火场模型及计算参数,利用数模环境进行热防护及舒适性能试验并与相关物理试验进行结果比对;最终,验证所建立火场极端环境模型的可靠性。有助于提高消防服质量检测的全面性及准确性,为阻燃面料的开发提供更为可靠的依据,最终保证消防员作业时着装安全,减少作战时的伤亡。