基于計算機仿真的高溫作業服設計分析

石鎏 趙飛 王玉昆

摘 要：本文研究了高溫作業專用熱防護服材料的熱傳導問題，為熱防護服的功能性設計提供方案和參考。首先分析各項因素對熱傳導過程的影響，基于合理假設簡化模型，根據熱學相關定理，建立"熱防護服-空氣層-人體"的熱傳導模型，為分析后續問題奠定基礎。其次建立"Ⅱ層織物厚度-溫度分布"的關系，已知Ⅱ層織物厚度的范圍，本文從此范圍里差分取特殊值用計算機進行數據處理，得到一系列與Ⅱ層厚度有關的溫度分布情況。最后利用value 評估函數，來對該范圍內的各厚度值進行評估，具有較高經濟型和舒適度的Ⅱ層織物材料厚度為10.5mm。

關鍵詞：高溫作業專用服裝;熱傳導模型;有限差分法

引言

在消防和工業生產過程中，工作人員常常工作于高溫環境下，需要穿著專用服裝。避免皮膚灼傷。高溫作業專用服裝不僅具有普通防護服的服用性能，更必須具備在高溫條件下對人體進行安全防護的功能。高溫專用服裝通常由三層織物材料構成，記為 I、II、III 層，其中 I 層與外界環境接觸，III 層與皮膚之間還存在空氣層，將此空氣層記為 IV 層，可以起到緩沖傳熱的作用。熱防護服使人體表皮溫度在規定時間內維持在安全值范圍內，是人體安全的重要保證。

1 .熱傳導基礎模型建立

假設人體體內的溫度恒定為 37℃，假設各織物層之間接觸緊密，不考慮各層之間交界處的熱阻，以熱防護服最外側與實驗室高溫環境接觸處為坐標原點建立坐標系，x 軸正向指向皮膚方向，可得 “多層熱防護服—空氣層—人體”的系統。

根據傳統的 Pennes 的生物熱傳導模型，假設組織是連續性介質，將織物的熱傳導性質同性化到各類皮膚組織的熱傳導性質上，即可將該系統完善為從實驗室的恒定高溫熱源到假人體內 37℃的恒定低溫熱源之間共有七層導熱介質的雙熱源一維導熱系統。

對于所建立的有雙熱源的一維非穩態導熱過程的模型，根據假設可知該模型的各層導熱材料的導熱系數為常數，則根據傳熱學中導熱微分方程的相關知識，得適合本系統的非穩態、有內熱源的導熱微分方程：

將導熱層視為無限大的平板，平板兩側為有溫差的恒溫源，即平啊不能兩側對稱受熱，則公式簡化為：

2 .最優解模型建立及求解

在既有假設下，當內外熱源溫度保持恒定，且各層導熱介質的物理性質和厚度均不變時，經過足夠長的時間，導熱的結果會由非穩態發展為近似穩態，即各層各點的溫度在最后維持一個相對固定的值。已知實驗恒定高溫TT? hiiiih 為 65℃，以及Ⅳ層空氣層厚度為 5.5mm，Ⅱ層厚度為未知量，易知每一個δδ都對應一個“時間—空間”區域的溫度分布。視δδ為自變量，則溫度 T 的分布函數就是對應的因變量。

本文采用特征值擬合的方法來確認Ⅱ層厚度δδ滿足的范圍：在（0.6，25）范圍內取所有的整數值進行特征值分析，由此得到每個特征厚度值下的溫度分布。將每組溫度分布的值中皮膚外表層的一些特征值與要求進行對比，包括穩態所達到的溫度、到達穩態所需要的時間、60 分鐘工作時間內超過 44℃的時間等等，從而一步一步縮小δδ的范圍，經過多次的取特征值進行擬合之后，可以得到一個滿足題意的最小值δδ mmiinn 的近似值。

易知當導熱介質的厚度增加時，阻礙熱量的傳遞，傳熱速率減慢，即當δδ增大時，同一個節點到達同樣的溫度的時間會延長。

接下來求δδ的最優解。當Ⅱ層織物厚度δδ增大時，最長安全工作時間就越長，這是由于織物厚度變大，熱阻也會相應地變大。同時，越厚的織物有更好的儲熱能力，使得熱通量不至于灼傷皮膚。然而，結合實際，太厚的織物不僅太過沉重不易穿戴，給高溫工作者造成負擔，而且根據很多研究表明，織物越厚儲熱能力也更強，以至于在離開高溫環境時，給人體造成不同程度的燒傷。

在確保安全的條件下，舒適性和經濟型是影響其是否達到最優性能的重要因素。當織物厚度增大時，它的體積隨之增大，防護服的重量也隨δδ的增大而增大，耗材和花費也增加，從而降低了經濟型，又易知熱防護服的舒適性隨重量增大而變小，所以經濟型和舒適性與材料厚度的關系均為負相關。

現用 value 評估函數來得δδ Ⅱ 的最優解：

結論：

本文通過分析各項因素對熱傳導過程的影響，基于合理假設簡化模型，根據熱學相關定理，建立“熱防護服—空氣層—人體”的熱傳導模型，為分析后續問題奠定基礎。建立“Ⅱ層織物厚度—溫度分布”的關系，已知Ⅱ層織物厚度的范圍，利用value 評估函數，來對該范圍內的各厚度值進行評估。

參考文獻：

[1]盧琳珍. 多層熱防護服裝的熱傳遞模型及參數最優決定[D].浙江理工大學，2018.

[2]盧琳珍，徐定華，徐映紅.應用三層熱防護服熱傳遞改進模型的皮膚燒傷度預測[J].紡織學報，2018，39（01）：111-118+125.