大興安嶺北部飛鼠毛皮熱工性能實驗研究

王松慶于艷紅滿效強陳亮

(1.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱，150040；2.東北林業大學野生動物資源學院，哈爾濱，150040)

飛鼠(Pteromysvolans)是分布在中國新疆阿爾泰山、東北地區、內蒙古東部等地的亞高山針葉林的嚙齒目動物。哺乳動物作為恒溫動物，其毛皮在調節自身產熱和散熱的動態平衡中起著重要的作用，為動物適應復雜多變的氣候環境、提高自身生存分布提供了必要的條件。毛皮的熱物性參數是反應動物毛皮保溫性能的最直觀的數據，國外在動物毛皮傳熱性能領域上的研究起步較早，一些學者利用自己研發制造的毛皮熱工性能測試設備對動物毛皮的熱物性參數進行了定量的實驗測試研究。Scholander等人將南極地區哺乳動物的毛皮固定于兩夾板之間，同時加熱兩夾板到相同的溫度后，將一側置于零攝氏度的環境中，對南極地區不同哺乳動物毛皮的保溫性能進行了研究[1]。Boyles等人利用恒溫水浴向金屬板提供固定熱量的方法來使金屬板保持穩定的溫度來模擬動物的恒定體溫，通過對不同毛皮的熱流密度以及毛皮內外表面溫差的測定推算出毛皮傳熱系數，用此方法對不同地區的老鼠腹部毛皮在不同溫度、風速、季節條件下的熱工性能進行研究[2]。國內關于動物毛皮的熱工性能研究和國外相比較晚，目前還處于探索研究階段。程志斌等人對漠河地區人工養殖的北極狐(Alopexlagopus)冬季毛皮性狀與保溫效果的關系進行了研究。研究結果表明北極狐不是通過降低毛細度的方式來增加毛密度以達到加強保溫效果的目的，而是通過改變被毛在皮膚內的分布格局來增加毛密度，并且將有髓質的絨毛分為上下兩層來改變毛皮空間結構。這兩種策略均提高了毛皮內滯留空氣的含量，加強了毛皮的保溫性能，從而適應高緯度地區的寒冷氣候[3]。鄭雷等在借鑒國外相關研究方法和技術的基礎上，設計了動物體被穩態過程熱物性參數測試平臺。通過此測試平臺對小興安嶺地區夏季及冬季時的黃鼬東北亞種(Mustelasibiricasibirca)雌性、雄性成體毛皮的熱工性能進行了嘗試性研究。研究結果表明黃鼬東北亞種雌雄個體毛皮的熱工性能存在差異。與此同時，黃鼬在不同季節時毛皮的熱工性能也存在差異，冬季毛皮的保溫性能要優于夏季毛皮保溫性能[4-5]。華彥對黃鼬東北亞種毛皮熱力學特性及影響因素進行了進一步研究[6]。但由于毛皮結構及傳熱的復雜性，基本物性參數隨時間、環境的變化而變的復雜多變，至今仍然沒有統一的測定方法和標準。本文通過自建毛皮熱物性參數測試平臺，對分布于大興安嶺北部地區冬季飛鼠的毛皮熱工性能開展實驗研究，采用熱流密度、總傳熱系數等評價指標的基礎上，進一步采用導熱系數這一指標對評價動物毛皮熱工性能的熱物性參數指標進行量化研究，研究結果可以作為解釋飛鼠安全越冬的重要理論依據。

1 實驗平臺構建

本實驗采用的實驗平臺，可完成對標準樣品基本熱物性參數的測試。該測試平臺主要由4部分組成：溫度及熱流密度測定系統、計算機數據采集處理系統、溫度自動控制系統和風速變頻控制系統，測試系統各組成部分如圖1所示，測試原理與步驟詳見文獻[7]。

圖1 測試系統示意圖Fig.1 The schematic of test system

2 實驗材料與步驟

2.1 實驗材料獲得及取樣

以捕獲的大興安嶺北部地區冬季越冬飛鼠為研究對象，此次捕獲飛鼠得到了中國野生動物保護協會的批準，共捕獲5只成體飛鼠，體重在86.7 ～99.7 g之間，平均值為(93.8±4.0)g。將剝離后的毛皮自然展開鋪平，用夾子固定邊緣放置于室內遮陽處自然干燥。在飛鼠臀部割取100 mm×50 mm的毛皮作為待測試樣，實驗前將試樣拍打恢復至自然蓬松狀態。

2.2 實驗步驟

2.2.1 待測試樣的放置

實驗時將蓬松的毛皮試樣放置于測試小室內部凹槽內，為了避免毛皮加熱后發生卷曲現象，用3 mm厚的有機玻璃板加工成10 mm×50 mm×100 mm的邊框，實驗時壓于毛皮試樣邊緣以增強毛皮與均熱板之間的接觸。

2.2.2 測試平臺的運行

開啟計算機打開數據采集軟件設定采樣參數，將冰水混合物放入保溫裝置以作為熱電偶的溫度參考零點，開啟超級恒溫水浴設定熱板溫度為38℃，開啟風機使風道內的風循環后再開啟壓縮機制冷裝置，待整個測試平臺運行穩定后開始采樣。實驗過程中小室內的溫度和風速由布置的測點測得，并可以由風速變頻器調節風速、制冷裝置和鉑熱電阻共同實現對溫度調節。實驗結束后，先關閉制冷裝置，讓風機繼續運轉半個小時以上以防止室內空氣進入風道內部后與冷空氣相遇發生水蒸氣凝結現象。

2.2.3 數據處理

實驗過程中數據采樣間隔為300 s，即采集的每一個數據為300 s內的平均值，待系統進入穩態后取8組采樣的數據作為有效數據進行分析處理。

3 實驗過程原理及結果分析

本研究在充分參考前人總結的經驗，采用通過毛皮的熱流密度q及毛皮傳熱系數K這兩項指標來表示風力和溫度這兩個因素對毛皮熱工性能的影響程度。在此基礎上，研究溫度對毛皮熱工性能影響時引入導熱系數λ這一熱物性基本參數指標對實驗數據做進一步處理，以求達到更合理地評價飛鼠毛皮的熱工性能。

3.1 風力對飛鼠毛皮熱工性能的影響

在探究風力對飛鼠毛皮熱工性能影響的研究中，未開啟制冷設備，溫度為室溫(20±0.9)℃，恒溫水浴溫度設定為38℃，風速由手持風速儀測定并由風速變頻器實現0～100%內的無級調節。風速范圍為0～4.82 m/s(即vmax=4.82 m/s)，風速采用變頻器的調節量來表示。當流體流過與之接觸的固體壁面時將會發生熱量傳遞，該現象稱之為對流換熱，對流換熱量的計算公式如(1)所示：

q=hΔt

(1)

式中，q：熱流密度，W/m2；h：為對流系數，W/(m2·℃)；Δt：溫差，℃。

在風力作用下，快速流動的空氣與動物毛皮之間將發生對流換熱。因此風力作用是影響動物與外界發生熱量交換的重要因素。風速對毛皮熱流密度的影響如圖2所示。由圖2可知，當風速為全風速的0%，即為無風狀態，毛皮與空氣將以自然對流換熱的形式進行熱量交換，由于自然對流的驅動力較小換熱量也小，因此熱流密度比有風力作用時要小，總樣本熱流密度平均值僅有34.14 W/m2。當風速逐漸增大，即風力作用越來越強時，熱流密度隨之增大，范圍在36.74～70.71 W/m2間。風速較低時，此時自然對流和強迫對流同時發生，但此時自然對流現象占主導地位。但當風速逐漸增加到一定值后，此時強迫對流換熱量超過自然對流換熱量成為換熱的主要途徑。

圖2 風速對毛皮熱流密度的影響Fig.2 The effect on heat flux density of fur with wind speed

僅采用熱流密度這一物性參數指標來評價毛皮的熱工性能還不足以全面地反映毛皮的保溫性能。根據能量守恒原理，通過毛皮的傳熱量和毛皮與周圍空氣之間的對流換熱量相等，即如公式(2)所示。

q=hΔt=KΔt

(2)

式中，K：毛皮傳熱系數，W/(m2·℃)。

為了更加全面地反映毛皮的保溫性能，研究風速對毛皮傳熱系數的影響如圖3所示。由圖3可知，毛皮的傳熱系數在4.96～6.27 W/m2之間。毛皮傳熱系數隨風速的增加而變大。產生之一現象的原因是隨著風速的增大，風力作用越來越強，毛皮在風力的作用下由靜止狀態變為了擾動狀態，其毛皮原有結構在風力的作用下被改變后使得毛皮的保溫性能變差。

圖3 風速對毛皮傳熱系數的影響Fig.3 The effect on heat conductivity of fur with wind speed

3.2 溫度對飛鼠毛皮熱工性能的影響

溫度是影響生物生存的又一重要環境因子。恒溫動物在環境溫度隨季節、地理位置等條件發生急劇變化時要保持體溫的相對恒定，溫度這一因素對其生存、分布的影響顯得尤為重要。熱量傳遞的動力則是物體內部或者物體之間存在溫度差。研究溫度對飛鼠毛皮熱工性能影響的工作中，開啟制冷設備，溫度設定為5檔：-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃，恒溫水浴溫度設定為38℃，風速設定為1 m/s。溫度對飛鼠毛皮傳熱系數影響的實驗結果如圖4所示。由圖4可知，外部溫度變化時，樣本的傳熱系數在5.25～5.76 W/m2范圍內波動。在上一小節研究風力作用對飛鼠毛皮傳熱系數影響中，飛鼠毛皮傳熱系數在風速1 m/s時的范圍為5.28～5.36 W/m2，二者可以較好地吻合。當物體的幾何參數已知時，其傳熱系數就已經確定，和溫度并無直接關系。傳熱系數的變動是由于實驗樣本的差異、實驗誤差和實驗中風力作用下毛皮結構被改變所造成的。

圖4 溫度對毛皮傳熱系數的影響Fig.4 The effect on heat conductivity of fur with temperature

溫度對毛皮傳熱系數的影響如圖5所示。通過毛皮的熱流密度q為毛皮傳熱系數與毛皮內外表面溫度差的乘積。由圖可以看出熱流密度隨著實驗溫度的降低而增大，由公式(2)可知這是由于實驗過程中提供熱量的超級恒溫水浴溫度設置為恒定溫度，即熱源溫度一定，毛皮的傳熱系數又為定值，當環境溫度不斷下降時溫差增大所致。

圖5 溫度對毛皮熱流密度的影響Fig.5 The effect on heat flux density of fur with temperature

4 實驗結果及毛皮保溫機理討論

在引入熱流密度、毛皮傳熱系數這兩項指標后，對毛皮的保溫性能進行評價時仍存在不足之處。例如，對于不同物種或同一物種在不同季節的毛皮而言，雖然可以測出熱流密度、傳熱系數這兩項指標，但測出的數據都是基于測試樣本自身特定的厚度這一前提條件，不同物種毛皮的厚度一般是不同的，有時相差甚大。僅采用熱流密度、傳熱系數這兩項指標無法排除毛皮厚度的干擾。鄭雷等人對黃鼬東北亞種毛皮的保溫性能進行了研究[5]，為說明僅采用熱流密度、毛皮傳熱系數這兩個指標的局限性，在此引用文獻[5]研究中有關冬季黃鼬毛皮性能的部分數據結果與本研究中進行比較。兩物種熱流密度和傳熱系數平均值的對比分別如圖6和圖7所示。

熱流密度越大，表示通過毛皮的熱量越多，則保溫效果越不理想。通過對兩物種毛皮的熱流密度隨環境溫度變化的對比結果如圖6所示。由圖6可知，森林型黃鼬及丘陵型黃鼬的毛皮熱流密度均大于通過飛鼠毛皮的熱流密度，這說明飛鼠毛皮的保溫性能要優于黃鼬的毛皮保溫性能。材料的傳熱系數越小，則表示材料的保溫性能越強。兩物種的傳熱系數隨環境溫度變化的實驗數據對比如圖7所示。由圖7可知飛鼠毛皮的傳熱系數要大于森林型黃鼬及丘陵型黃鼬的毛皮傳熱系數，這說明黃鼬的毛皮保溫性能要優于飛鼠毛皮的保溫性能。

圖6 溫度對兩物種毛皮熱流密度的影響Fig.6 The effect on heat flux density of two species fur with temperature

圖7 溫度對兩物種毛皮傳熱系數的影響Fig.7 The effect on heat conductivity of two species fur with temperature

由對兩物種熱流密度及傳熱系數的對比分析，得出了兩個完全相悖的結論。因此在采用熱流密度和傳熱系數這兩項指標后還不足以客觀地評價毛皮的性能，為此，本研究中進一步引入導熱系數這一參數以期達到更加全面客觀地評價毛皮熱工性能的目的。作為物質基本熱物性參數的導熱系數是表征物體熱傳導能力大小的物理量，符號用λ表示，單位為W/(m·℃)。其物理意義是指物體在單位厚度具有單位溫度差值情況時，物體在單位面積內每單位時間傳遞的量。兩物種不同溫度下毛皮導熱系數平均值對比圖如圖8所示。由圖8可知，通過對[5]研究結果中有關冬季黃鼬毛皮性能的部分數據整理后得到森林型黃鼬毛皮在不同實驗溫度下導熱系數在區間(0.949，0.953)W/(m·℃)，丘陵型黃鼬毛皮在不同實驗溫度下導熱系數的范圍為(0.951，0.957)W/(m·℃)，而本研究飛鼠毛皮在不同溫度下的導熱系數在區間(0.053，0.058)W/(m·℃)內。由導熱系數可見飛鼠毛皮的導熱系數要比黃鼬毛皮的導熱系數小一倍，因此飛鼠毛皮保溫性能更好。

綜合考慮對流系數、導熱系數以及熱流密度這3個毛皮的基本熱物性指標，可以得出飛鼠毛皮保溫效果優于黃鼬。黃鼬毛皮的傳熱系數之所以比飛鼠毛皮的傳熱系數小，是因為黃鼬毛皮的厚度在25 mm左右，而飛鼠的毛皮厚度僅在10 mm左右，黃鼬毛皮保溫性能在這一指標上優于飛鼠毛皮是以犧牲數量為前提的。優越保溫性能的毛皮對于飛鼠在氣候條件惡劣的冬季安全越冬至關重要。

圖8 兩物種不同溫度下毛皮導熱系數Fig.8 The heat conductivity of two species fur with different temperature

5 結論

本文通過動物毛皮熱物性參數測試裝置，對采集于大興安嶺北部地區越冬飛鼠毛皮的熱工性能進行了實驗研究。在充分參考借鑒前人關于動物毛皮研究成果和經驗的基礎上，采用了熱流密度、毛皮傳熱系數這兩項評價指標。在研究過程中發現了僅采用這兩項指標的局限性，并舉例分析了問題的所在。進一步引入導熱系數這一基本熱物性參數作為評價動物毛皮保溫性能的又一項指標。通過實驗研究了風力及溫度這個因子對飛鼠毛皮熱工性能的影響。實驗測得飛鼠毛皮的導熱系數的范圍在區間(0.053，0.058)W/(m·℃)內。證明了飛鼠毛皮是一種性能良好的保溫材料。其性能甚至比一些建筑常用的保溫材料還要優越。保溫性能優越的毛皮對于飛鼠在氣候條件惡劣的冬季安全越冬至關重要。