對熱防護服設計的研究

劉美玉

摘要：本文針對高溫作業下專用服裝設計問題，考慮防護服材料、防護層厚度、空隙層厚度等方面的影響因素，運用了有限差分法算法，建立了熱防護服傳導-輻射模型，運用MATLAB軟件編程求解，在模型假設成立的情況下，本文所建立的模型能夠較為準確地進行熱防護服性能的檢測，從而更好地進行熱防護服進行設計，以便于熱防護服專用人員在高溫環境下完成作業并避免高溫灼傷。

關鍵詞：熱防護服；有限差分法；MATLAB；origin

1.模型的建立與求解

1.1具體問題

已知專用服裝材料的某些參數值、環境溫度為75℃、II層厚度為6 mm、IV層厚度為5 mm、工作時間為90分鐘，實驗中測量所得的假人皮膚外側的溫度已知，建立數學模型，在約束條件下計算出溫度分布生成數據。

1.2問題一的模型建立與求解

1.2.1模型的建立

（1）一維徑向傳熱模型。考慮到假人和防護服近似處理為同心圓柱體形狀，將人體假定為一維徑向傳熱的圓柱體，圖1是覆蓋了防護服的圓柱體系統計算模型的截面示意圖：

在實際傳熱過程中，物質間的傳熱會受到多項因素的影響，本文就傳熱過程中影響因素最大的幾項進行探究，針對材料的密度、比熱容、厚度、傳熱系數、人體處在高溫作業環境下的時間建立人體外側溫度的熱傳導方程。根據圖2截面示意圖可得防護服一維徑向能量守恒方程[1]：

由于防護服與外界之間會進行熱量的交換，因此防護服與外界環境之間受熱的邊界條件為：

（2）傳導-輻射模型

假人穿著防護服時第Ⅳ層為空氣層，空氣層內的換熱方式主要以對流和輻射傳熱為主，但是由于空氣層最大厚度小于6.4mm，因此不需要考慮對流傳熱，故針對空氣層傳熱方式為輻射傳熱，而Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ層之間的傳熱為傳導傳熱和輻射傳熱，故本文給出此防護服的傳導-輻射模型[2]：

由于Ⅰ層與Ⅱ層接觸面存在熱量傳遞，故其接觸面滿足：

同理Ⅱ層與Ⅲ層之間的接觸面滿足：

此外還需要考慮熱源到防護服之間的輻射和對流的熱量為：

在對多層防護服的熱傳遞模型中，采用顯熱容法描述防護服的比熱變化，顯熱容的計算公式為：

本文給出有效傳導率進行計算：

根據上述模型聯立求解，可得一維瞬態傳導-輻射傳熱方程：

1.2.2模型的求解

對上述一維瞬態傳導-輻射傳熱方程運用有限差分法進行求解，求解步驟如下：

（1）區域的離散或子區域的劃分；

（2）插值函數的選擇；

（3）方程組的建立；

（4）方程組的求解；

防護服的初始條件：

防護服的左右邊界條件[3]分別為

將上述左右邊界條件離散得到：

首先我們采用origin對表皮溫度隨時間變化進行多項式擬合得到下圖：

得到擬合曲線是：

同時也畫出四層溫度分布圖，如圖3所示：

由上圖四層溫度分布圖可知第Ⅱ層隔熱效果最好，在不影響高溫作業人員行動的情況下，可以增加第Ⅱ層厚度，降低人員受到傷害的可能性，得到結果。

1.2.3模型結果的分析

考慮到傳熱過程中熱量的傳遞會受到材料本身密度、比熱容、熱傳導率和厚度的影響，同時也考慮到人處于高溫作業下的時間，這確保了能準確求出人體處于不同時間下的溫度分布。由于人體并不是一個簡單的圓柱體，所以在求解過程中也會造成一定的誤差，但是在測驗階段此處理并不會造成實驗數據的巨大誤差。

2.誤差分析與靈敏度分析

2.1誤差分析

在進行求解概率分布時，由于將人體簡化處理為一維圓柱體，故存在一定的誤差，將曲線擬合的到的溫度與實驗數據的到溫度進行對比，求得誤差率為1.35%，故此模型可以使用。

2.2靈敏度分析

在進行隱含層與輸出層之間的權值求解過程中，用L-K算法進行優化，將求解結果準確性提高到比較精確的程度。在實際求解過程中，當權值、防護服材料的特性或者約束條件在一定小范圍內發生變化時，不會對防護服最優厚度的求解產生很大影響，但超出一定范圍時，則會對最優解的計算有顯著影響。

3.模型的評價

3.1模型的優點

（1）將人體和防護服各層簡化為一維同心圓柱體，使模型求解簡化；

（2）將傳導-輻射模型轉化為單變量、多變量方程，使求解過程大大簡化。

3.2模型的缺點

（1）由于人體輪廓的不規則，且人體高溫作業時因為各種行為姿勢導致人體與防護層之間的空隙層厚度會發生變化，故求取結果與實際結果存在誤差；

（2） 由于傳熱分為穩態傳熱和非穩態傳熱，而本文的模型是建立在穩態傳熱的基礎上的，故此模型不能針對非穩態傳熱的情況；

（3） 由于并未考慮Ⅱ層厚度大于6.4mm時與其它各層之間對流傳熱，故會導致熱量出現損失。

4.模型的改進

（1）可以根據人體輪廓建立三維熱傳導模型，以適應人體實際需要；

（2）可以考慮非穩態傳熱對其的影響；

（3）建立外界環境與I層之間的對流傳熱模型，減少熱量的損失。

參考文獻

[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. 人體造型解剖[M]. 濟南：山東美術出版社，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.

（作者單位：安徽理工大學測繪學院）