消防服衣下空氣層熱傳遞機(jī)制研究進(jìn)展

蘇 云,王云儀,3,李 俊,3

(1.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051； 3.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

消防服衣下空氣層熱傳遞機(jī)制研究進(jìn)展

蘇 云1,2,王云儀1,2,3,李 俊1,2,3

(1.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051； 3.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

空氣層熱濕傳遞機(jī)制的研究不僅可為更加準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)室熱防護(hù)性能測(cè)試提供指導(dǎo),也可提高消防服熱濕傳遞數(shù)值模擬的精確度。在闡述了熱防護(hù)性能測(cè)試中空氣層的作用以及空氣層熱傳遞機(jī)制和空氣層熱傳遞模型的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了服裝與人體之間空氣層微氣候的特征，從熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱3個(gè)方面總結(jié)了空氣層的熱傳遞機(jī)制，提出不同條件下空氣層傳熱模型建立的基本思路，并對(duì)未來(lái)消防服衣下空氣層熱傳遞機(jī)制的研究動(dòng)向作出了預(yù)測(cè)。

消防服；空氣層；熱傳遞；數(shù)值模擬

對(duì)于參與緊急滅火的消防員而言，熱應(yīng)力是其生命安全和身心健康的最大威脅。這種惡劣環(huán)境通常可以被劃分為普通、危險(xiǎn)、緊急3種狀態(tài)[1]。緊急狀態(tài)常常發(fā)生在閃火環(huán)境下，熱流密度達(dá)到20～209.34 kW/m2，消防員的耐受時(shí)間僅僅只有幾秒鐘，具有致命的危險(xiǎn)[1]。普通和危險(xiǎn)狀態(tài)是屬于低水平熱輻射環(huán)境，熱流密度為5～20 kW/m2[2]，暴露時(shí)間較長(zhǎng)，一般沒有造成消防服外層面料的熱降解，然而實(shí)際情況中消防員的皮膚燒傷較多發(fā)生在這種環(huán)境條件下[3-4]。消防服作為高溫下使用的防護(hù)性服裝，能夠減少或防止皮膚燒傷，提高消防作戰(zhàn)效率。其熱防護(hù)性能的好壞，直接關(guān)系到作業(yè)人員的安危，因此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)服裝的熱防護(hù)性能，在不同場(chǎng)合選擇合適的消防服具有重要意義。然而，服裝各層的空氣層是評(píng)價(jià)與改善服裝熱防護(hù)性能的關(guān)鍵因素。

目前熱防護(hù)性能的各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法中，許多學(xué)者對(duì)于測(cè)試中是否需要在傳感器與面料之間設(shè)置空氣層，以及其大小的設(shè)置產(chǎn)生了興趣。在許多小尺度臺(tái)式測(cè)試中，如NFPA 1971《建筑物火災(zāi)用滅火防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的閃火條件下的TPP測(cè)試、NFPA 1977《荒地滅火用防護(hù)服和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的21 kW/m2輻射強(qiáng)度下的RPP測(cè)試以及美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)：F 2731—2011《測(cè)定消防員防護(hù)服系統(tǒng)的能量傳播和儲(chǔ)存的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》規(guī)定的8.5 kW/m2輻射強(qiáng)度下的SET測(cè)試等，都沒有考慮傳感器與面料之間空氣層的影響。也有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，如ASTM D4108《熱防護(hù)性能測(cè)試(TPP)》等，規(guī)定傳感器與面料之間的空氣層厚度為6.4 mm，用來(lái)模擬服裝與人體皮膚之間的間距大小。由于人體體表形狀的復(fù)雜性，服裝覆蓋在人體表面形成的衣下空氣層分布不均勻，小尺度臺(tái)式測(cè)試并不能準(zhǔn)確地模擬著裝人體衣下空氣層的分布，因此，文獻(xiàn)[5-7]利用三維人體掃描儀調(diào)查了燃燒假人衣下空氣層的分布狀況，結(jié)果表明，在肩部、前胸、大腿、膝蓋等部位形成的空氣層較小，在后背較低部位、腰、后膝和小腿的空氣層相對(duì)較大。同時(shí)由于人體的運(yùn)動(dòng)以及面料的熱收縮導(dǎo)致衣下空氣層的動(dòng)態(tài)變化，都預(yù)示著全尺度假人實(shí)驗(yàn)的必要性[8-9]。

由于空氣層傳熱的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量并不能有效解釋空氣層傳熱的機(jī)制，因此，不少研究學(xué)者進(jìn)行了消防服衣下空氣層熱傳遞數(shù)值模擬的研究。早期Torvi等[10]基于小尺度臺(tái)式測(cè)試，分析了面料與傳感器之間空氣層的一維熱傳遞，但是忽略了空氣對(duì)輻射傳熱的影響以及各傳熱方式的耦合現(xiàn)象。由于人體幾何形態(tài)的復(fù)雜性，Zhu等[11]基于Torvi建模理論，建立了圓柱坐標(biāo)系下的空氣層傳熱模型，用以研究不同曲面下空氣層的熱傳遞過(guò)程。Sawcyn等[12]基于阻燃面料背面溫度的梯度分布，建立了空氣層的準(zhǔn)二維熱傳遞模型，同時(shí)Talukdar等[13]利用CFD(計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)，Computational Fluid Dynamics )技術(shù)再現(xiàn)了空氣層的多維熱傳遞現(xiàn)象。為了研究空氣層的耦合傳熱以及動(dòng)態(tài)空氣層的傳熱，Ghazy等建立了單層面料空氣層傳導(dǎo)與輻射熱傳遞耦合模型[14-15]、多層面料多層空氣層模型[16]以及人體運(yùn)動(dòng)、面料熱收縮引起的動(dòng)態(tài)空氣層模型[17-18]，但是，由于衣下空氣層厚度的跨度較大，不同火場(chǎng)環(huán)境下空氣層模擬的差異性，目前衣下空氣層數(shù)值模擬的精確度以及應(yīng)用性仍有待提高。

空氣層在“人體-服裝-環(huán)境”的數(shù)值模擬中起著橋梁的作用，同時(shí)空氣層的熱傳遞過(guò)程容易受到其他因素的影響，因此，準(zhǔn)確分析空氣層的熱傳遞機(jī)制，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中空氣層厚度的設(shè)置、不同火場(chǎng)環(huán)境條件下空氣層熱傳遞模型的建立具有重要意義。本文分析了服裝與人體之間空氣層微氣候的特點(diǎn)，總結(jié)了空氣層對(duì)流、傳導(dǎo)以及輻射的傳熱機(jī)制，比較了目前各空氣層熱傳遞模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并總結(jié)了其未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 空氣層微氣候

按照NFPA 1971《建筑物火災(zāi)用滅火防護(hù)服標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，消防服由多層織物系統(tǒng)構(gòu)成，依次為外層、防水透氣層以及隔熱層，人體的皮膚結(jié)構(gòu)從外向內(nèi)依次為表皮層、真皮層、皮下組織，從而形成多層垂直空氣層的分布，如圖1所示。

在消防員的消防作業(yè)過(guò)程中，由于人體的運(yùn)動(dòng)以及面料的熱動(dòng)力現(xiàn)象，使得人體-服裝-環(huán)境之間的熱濕傳遞過(guò)程處于動(dòng)態(tài)變化之中[19]。衣下空氣層內(nèi)也不可能完全靜止，在隔熱層與皮膚表層之間(空氣層③)，由于存在溫度差產(chǎn)生的傳導(dǎo)與輻射熱傳遞的同時(shí)，也必然會(huì)由于空氣分子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生自然對(duì)流現(xiàn)象，除非衣下空氣層所處的空間非常狹小，無(wú)法形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這時(shí)才會(huì)有單純的導(dǎo)熱現(xiàn)象(空氣層①與空氣層②)，所以，空氣層微氣候中同時(shí)存在對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射傳熱以及由于濃度差、溫度差、壓力差產(chǎn)生的蒸發(fā)散熱現(xiàn)象。

2 空氣層熱傳遞機(jī)制

服裝與人體之間空氣層的熱傳遞過(guò)程受多種因素的影響，在空氣層中進(jìn)行熱交換的方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱和輻射換熱，其中熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱的計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，而輻射換熱比較復(fù)雜，但是三者之間具有耦合作用，共同決定著空氣層的熱傳遞過(guò)程。

2.1 對(duì)流/傳導(dǎo)熱傳遞

靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)明顯小于常見的紡織材料，是理想的絕緣體。隨著空氣層厚度的增加，空氣層導(dǎo)熱減小，相反自然對(duì)流愈益明顯。傳熱學(xué)中利用Ra(瑞利數(shù)，Rayleigh number)的大小判斷自然對(duì)流的發(fā)生與否，如下式[20]所示：

(1)

式中：g為重力加速度，9.81 m/s2；β為空氣的熱膨脹系數(shù)，K-1；△T為空氣層邊界的溫度差，K；δ為空氣層厚度，m；α為空氣熱擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；v為空氣動(dòng)力黏度，m2/s。

對(duì)于處于水平方向的空氣層來(lái)說(shuō)，當(dāng)Ra值達(dá)到1 708時(shí)，空氣層發(fā)生穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流；當(dāng)Ra值超過(guò)5 830時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)自然對(duì)流[21]。然而，Ra值的大小與空氣層的厚度呈正比，Torvi利用流動(dòng)可視化與數(shù)值模擬的方法推導(dǎo)出當(dāng)空氣層的厚度達(dá)到6.4 mm時(shí)出現(xiàn)自然對(duì)流[10]。同時(shí)由于人體衣下空氣層的體積較小，空氣層厚度為19.1 mm時(shí)的Ra值小于35 000，而發(fā)生湍流的Ra值大于106，故衣下空氣層的對(duì)流換熱一般當(dāng)作層流處理[22]。

2.1.1 傳導(dǎo)熱傳遞

當(dāng)面料與傳感器之間空氣層厚度小于6.4 mm時(shí)，由于空氣層間隙太小，從而無(wú)法形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這時(shí)空氣層的熱傳遞以傳導(dǎo)為主。根據(jù)傅里葉熱流定律，一維平面的熱傳導(dǎo)速率方程為

(2)

式中：qcond為傳導(dǎo)熱流密度，W/m2；k為空氣層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；?T/?x為沿x方向的溫度梯度，K/m。

2.1.2 對(duì)流熱傳遞

當(dāng)空氣層厚度超過(guò)6.4 mm時(shí)，空氣含量的增加會(huì)導(dǎo)致空氣層導(dǎo)熱的大幅度減小，相比對(duì)流傳熱來(lái)說(shuō)可以忽略不計(jì)。在消防作業(yè)中，消防服衣下空氣層對(duì)流傳熱不僅僅以自然對(duì)流的形式進(jìn)行，同時(shí)由于人體步行等連續(xù)動(dòng)作以及面料的熱收縮變化，在衣下空氣層中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流，如風(fēng)箱效應(yīng)或鐘擺效應(yīng)等，但不論對(duì)流傳熱過(guò)程的具體特性如何，均可利用牛頓冷卻公式計(jì)算空氣層的對(duì)流換熱(如式(3)、(4))。同時(shí)對(duì)流傳熱是由浮升力引起，這種浮升力是因流體中的溫度差所導(dǎo)致，與空氣層所處的方向有一定的聯(lián)系，見式(5)[20，23]。

(3)

(4)

(5)

式中：[]*是指如果方括號(hào)內(nèi)為負(fù)值，則此項(xiàng)為0；qconv為對(duì)流熱流密度，W/m2；h為空氣層的對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tfab為隔熱層背面溫度，K；Tskin為皮膚表層溫度，K；Nu為努塞爾數(shù)；L為空氣層的厚度，m。

2.2 輻射熱傳遞

有研究表明，面料與傳感器之間空氣層的熱傳遞以輻射熱交換為主[10]，所以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)空氣層輻射熱傳遞過(guò)程，對(duì)于提高空氣層熱傳遞模型具有重要意義。在消防作業(yè)的過(guò)程中，服裝以及人體皮膚都會(huì)向空氣層發(fā)射熱輻射，同時(shí)由于空氣中O2以及N2屬于非極性氣體，不發(fā)射輻射，空氣中還含有少量的極性分子氣體，如CO2、水蒸氣等，在很大溫度范圍內(nèi)是發(fā)射和吸收輻射[24]。綜上所述，一般情況下可把空氣層簡(jiǎn)化成透明體，完全透射輻射，此時(shí)空氣層輻射熱傳遞遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律，利用視角系數(shù)建立的輻射模型為

(6)

式中：qrad為輻射熱流密度，W/m2；σ為 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8W/(m2·K4)；εfab與εskin分別為面料與皮膚表層的發(fā)射率；Afab與Askin分別為面料熱暴露與皮膚表層的表面積，m2；Ffab-skin為面料背面發(fā)射的輻射被皮膚攔截的比例。

由于面料在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生CO2、顆粒等物質(zhì)，分布在空氣層中，同時(shí)消防員高強(qiáng)度作業(yè)產(chǎn)生的汗液使空氣層的濕度升高，都會(huì)增加空氣層吸收和發(fā)射輻射熱。在這種情況下，可以將空氣層當(dāng)作灰體處理，即空氣層既能夠透過(guò)輻射，也能吸收與發(fā)射輻射，其空氣層進(jìn)行輻射熱傳遞的計(jì)算過(guò)程如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

由于以上計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，輻射傳熱模型可進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)化。考慮空氣層作為輻射介質(zhì)，但是忽略空氣發(fā)射輻射，并且通過(guò)引進(jìn)Beer定律，假設(shè)空氣層吸收熱輻射呈指數(shù)衰減，其計(jì)算方程為

(11)

(12)

3 空氣層傳熱模型

空氣層在“環(huán)境-服裝-人體”的傳熱建模中起著關(guān)鍵的作用，因此，建立精確的空氣層傳熱模型對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)服裝熱防護(hù)性能具有重要意義。目前有關(guān)消防服空氣層的傳熱模型主要是針對(duì)靜態(tài)空氣層的一維傳熱，它不僅能夠揭示空氣層傳熱的基本原理，而且可以為多維空氣層、動(dòng)態(tài)空氣層的傳熱模擬奠定理論基礎(chǔ)。此外，近幾年來(lái)部分學(xué)者嘗試了多維空氣層、動(dòng)態(tài)空氣層的熱傳遞模擬。

3.1 一維傳熱模型

Torvi[25]利用有限元方法模擬了ASTM D4108標(biāo)準(zhǔn)中的TPP測(cè)試，分析了織物與傳感器之間空氣層的對(duì)流、傳導(dǎo)以及輻射熱傳遞過(guò)程，Song[26]和Zhu[11]基于Torvi的空氣層傳熱模型，分別建立了服裝與假人皮膚之間的空氣層傳熱模型以及圓柱坐標(biāo)下的空氣層傳熱模型，但是由于沒有考慮各傳熱之間的耦合以及空氣各成分對(duì)輻射熱傳遞的影響，與實(shí)際情況差異較大。基于對(duì)空氣層傳熱機(jī)制的研究，改進(jìn)的空氣層一維傳熱模型為

根據(jù)上文的分析，標(biāo)準(zhǔn)消防服是多層面料結(jié)構(gòu)，各層面料之間都會(huì)存在微小間隙，然而在服裝多層系統(tǒng)中不同位置、不同厚度的空氣層對(duì)服裝的熱防護(hù)性能有不同程度影響[27]。Ghazy等[16]模擬了閃火條件下空氣層的傳導(dǎo)與輻射熱傳遞，假定服裝外層與防水透氣層、防水透氣與隔熱層的空氣層厚度均為1 mm，隔熱層與傳感器的空氣層厚度設(shè)定為6.35 mm，但是并沒有提出隔熱層與傳感器之間空氣層厚度大于6.35 mm的傳熱方程，其應(yīng)用范圍具有一定的局限性。

3.2 多維空氣層傳熱模型

Torvi[25]建立的一維空氣層熱傳遞模型中，當(dāng)空氣層厚度為6.4 mm時(shí)，模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為5%；而當(dāng)空氣層厚度為12.7～19.1 mm時(shí)，預(yù)測(cè)的誤差達(dá)到12%～15%，造成較大空氣層誤差的主要原因是假設(shè)空氣層為一維熱傳遞。

為了進(jìn)一步提高空氣層熱傳遞模擬的精確性，Sawcyn等[12]測(cè)量了面料未暴露一側(cè)的溫度分布，將面料劃分為7個(gè)溫度場(chǎng)，每個(gè)溫度場(chǎng)與傳感器的輻射熱傳遞分開計(jì)算，從而建立了空氣層的對(duì)流、輻射多維熱傳遞模型，提高了模型預(yù)測(cè)的精確度。

隨著CFD 技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬方法具有靈活度高、參數(shù)易改變、可重復(fù)率高等優(yōu)點(diǎn)。采用CFD模擬服裝與人體之間空氣層的多維熱傳遞，能夠靈活地設(shè)置空氣層的多項(xiàng)熱物理參數(shù)，選擇不同的對(duì)流傳熱模型(如Navier-Stokes方程等)和不同的輻射傳熱模型(如P-1輻射模型等)，從而更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)服裝的熱防護(hù)性能[28]。Talukdar等[13]利用CFD再現(xiàn)了對(duì)流傳熱，假設(shè)空氣層為透明體介質(zhì)，利用有限體積法建立輻射傳熱模型，模擬了面料和傳感器間的二維傳熱，再現(xiàn)了空氣層的傳熱過(guò)程。

3.3 動(dòng)態(tài)空氣層傳熱模型

動(dòng)態(tài)空氣層的形成，一方面是由于高溫條件下面料的熱收縮導(dǎo)致空氣層厚度的單向變化，另一方面是由于消防員運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的空氣層厚度的周期性變化。空氣層厚度的動(dòng)態(tài)變化會(huì)影響空氣層的傳熱方式，尤其是對(duì)流傳熱。Ghazy等[17]通過(guò)在空氣層模型中引入面料最大熱收縮值、收縮率來(lái)模擬空氣層的動(dòng)態(tài)變化，分析了面料的熱收縮變化對(duì)服裝熱防護(hù)性能的影響。同時(shí)為了分析人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣層變化對(duì)熱防護(hù)性能的影響，Ghazy等[18]在模型中引入了周期性正弦函數(shù)，利用空氣層變化的振幅與頻率研究空氣層動(dòng)態(tài)變化對(duì)傳熱的影響。

以上動(dòng)態(tài)空氣層模型并沒有考慮對(duì)流傳熱過(guò)程，這顯然與事實(shí)不符，并且有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了人體的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致空氣層中強(qiáng)制對(duì)流的產(chǎn)生[29]，因此，由于面料熱收縮以及人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣層變化應(yīng)該綜合考慮對(duì)對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射傳熱的影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

空氣層對(duì)于服裝熱防護(hù)性能的重要性已經(jīng)得到大多數(shù)研究者的認(rèn)同。盡管空氣層熱傳遞模型的研究取得了快速發(fā)展，但是目前空氣層熱傳遞的建模條件較理想化，同時(shí)由于消防員處于多變的環(huán)境中，因此，目前空氣層熱傳遞模型的應(yīng)用具有一定的局限性。未來(lái)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行消防服空氣層的熱傳遞機(jī)制研究。

1)空氣層的各向異性熱傳遞機(jī)制研究。目前大多數(shù)空氣層的實(shí)驗(yàn)研究都是在小尺度臺(tái)式測(cè)試上進(jìn)行，空氣層處于水平狀態(tài)，但是消防員實(shí)際著裝運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，服裝與人體之間的空氣層是處于垂直狀態(tài)，2種狀態(tài)下的空氣層熱傳遞存在一定的差異，尤其是對(duì)對(duì)流傳熱的影響，這是因?yàn)閷?duì)流傳熱是由浮升力引起空氣的流動(dòng)而發(fā)生。Zhu等[11]已經(jīng)證明了圓柱坐標(biāo)系下的垂直空氣層發(fā)生自然對(duì)流的空氣層厚度為6 mm，而Torvi等[10]得出的水平方向發(fā)生自然對(duì)流的空氣層厚度為6.4 mm，因此，不同方向空氣層的分布勢(shì)必會(huì)影響熱量的傳遞，從而影響服裝熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)。

2)水分對(duì)空氣層熱傳遞機(jī)制的影響。滅火水槍的噴濺以及消防員高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的汗液會(huì)導(dǎo)致衣下空氣層的相對(duì)濕度增加。大量研究結(jié)果表明，水分對(duì)空氣層的熱傳遞有重要影響，在含水面料下空氣層發(fā)生自然對(duì)流的厚度比干態(tài)面料大很多，接近9～12 mm[30]。一方面水蒸氣是極性分子，能夠吸收、發(fā)射輻射，影響輻射熱傳遞，另一方面，水蒸氣的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)均比空氣大，空氣層相對(duì)濕度的增加會(huì)導(dǎo)致空氣層的蓄熱量增加，熱傳導(dǎo)速率加快，甚至造成人體皮膚的燙傷，因此，研究不同濕度下空氣層的熱傳遞機(jī)制，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)皮膚的燒傷狀況有重要意義。

3)不同火場(chǎng)環(huán)境下空氣層熱傳遞模型研究。消防員所處的火場(chǎng)環(huán)境跨度大，熱流密度分布在5～209.34 kW/m2[1-2]之間，同時(shí)對(duì)流熱與輻射熱占比也存在差異。目前建立的空氣層熱傳遞模型主要是模擬閃火環(huán)境，但是對(duì)于低熱流密度下(如冷卻階段、長(zhǎng)時(shí)間遠(yuǎn)距離低輻射條件等)的空氣層熱傳遞模型還未研究，且消防員的皮膚燒傷較多分布在這種環(huán)境條件下，因此，研究低熱流密度下的空氣層熱傳遞機(jī)制具有重要意義。

目前空氣層熱傳遞機(jī)制的研究大多是以水平小尺度臺(tái)式實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，鑒于與著裝人體所形成空氣層的分布差異，未來(lái)應(yīng)該進(jìn)行更多著裝人體空氣層熱傳遞研究。此外，空氣層微氣候容易受外界因素的影響，如熱源、水分等，因此，研究不同火場(chǎng)環(huán)境下空氣層的熱傳遞機(jī)制具有重要意義。

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Research progress of heat transfer mechanism of air gap under firefighter protective clothing

SU Yun1,2，WANG Yunyi1,2,3，LI Jun1,2,3

(1.Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China； 2.ProtectiveClothingResearchCenter,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China； 3.KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,Shanghai200051,China)

Research of heat transfer mechanism of air gap can not only provide a guideline for more accurate test on thermal protective performance,but also improve the precision of numerical simulation about heat and moisture transfer model.Based on the role of air gap in thermal protective performance test and the research status of heat transfer models of air gap,the features of air gap between clothing and body are analyzed.And heat transfer mechanism of air gap is summarized in terms of heat conduction,convective heat transfer and radiative heat transfer.Modeling heat transfer of air gap is proposed under different exposure conditions,and predicting future direction in the study on heat transfer model of air gap between protective clothing and skin surface.

firefighter protective clothing；air gap；heat transfer；numerical simulation

10.13475/j.fzxb.20150105306

2015-01-27

2015-08-22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51576038)；人因工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(SYFD150051812K)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(15D110735/36)

蘇云(1990—)，男，博士生。研究方向?yàn)楣δ芊雷o(hù)服裝。王云儀，通信作者，E-mail: wangyunyi@dhu.edu.cn。

X 924.3；TS 941.73

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