高溫作業專用服裝設計

邱秀亮 俞青清 楊位乾 陳旭

摘? ?要：本文基于傅立葉定律結合多層平壁熱傳遞模型和干燥熱傳遞模型，構造時間—位置—溫度的熱傳遞偏微分方程來解決熱防護服裝厚度的合理設計問題，然后將偏微分方程進行離散化處理，通過數據預處理發現皮膚表層超過1646s以后溫度不再增長，我們認為自此系統處于動態熱平衡狀態。利用有限差分法在MATLAB上算出動態熱平衡之前的溫度分布，得到動態熱平衡狀態時各層交界處的溫度。

關鍵詞：熱防護服? 干燥熱傳遞模型? 有限差分法

中圖分類號：TS941.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0082-02

現如今人們從事各種高溫作業下的安全隱患有增加的趨勢，在高溫條件下熱防護服具備對人體進行安全防護的功能而顯得十分重要。比如消防員在火場環境滅火救援時常處于高溫高輻射的環境，如果防護服太厚重，經常會導致熱應激反應，因此在高溫作業時保護人體皮膚不受傷害的前提下，如何減少防護服厚度，是本文討論的根本問題。

目前急需要解決的問題有：（1）根據已知的服裝材料的參數值以及在條件為75℃環境溫度、II層厚度為6mm、IV層厚度為5mm、工作時間為90min的情形下，計算溫度的分布;（2）當環境溫度為65℃時，IV層厚度為5.5mm時，在確保工作60min時，假人皮膚外側溫度不超過47℃，且超過44℃的時間不超過5min的條件下確定II層最優厚度;（3）當環境溫度為80℃時，在保證工作30min時，其余條件與上述相同以此來確定II層和IV層的最優厚度。

1? 模型的建立與求解

1.1 建立模型

傅立葉定律是通過歸納大量實驗結果建立起來的，導熱的基本模型如下[1]：

1.3 模型求解

有限差分法[8]數值計算的基本步驟[9]：

（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。

通過matlab繪制出的溫度分布如圖2所示。

1.4 Ⅱ層的最優厚度

利用問題一的偏微分方程，建立假人皮膚外側溫度與第Ⅱ層厚度和時間的關系。由于第Ⅱ層厚度在0.6～25mm之間，以0.1mm間隔遍歷出最優厚度范圍在9.2～9.3mm之間，繼續細分得到第Ⅱ層最優厚度9.232mm。

1.5 Ⅱ層和Ⅳ層的最優厚度

構造皮膚外側溫度與第Ⅱ層和第Ⅳ層的厚度以及時間的關系T（l2，l4，t），雙重循環遍歷出最優厚度。得到第Ⅱ層最優厚度為8.7mm，第Ⅳ層最優厚度為6.1mm。

2? 模型的評價與優化

2.1 模型的優點

建立的模型能與實際緊密聯系，具有堅實可靠的數學基礎，所需數據少，可操作性強。

2.2 模型的缺點

（1）考慮的影響因素較少，處理問題時可能存在一些誤差;

（2）涉及許多數學以及物理公式，計算量較大。

2.3 模型的優化

用BP神經網絡預測模型建立織物的物理性能與熱防護性能指標之間的關系，輸入向量為外層織物的厚度、面密度、組織結構、經密、緯密、緊度、導熱系數、極限氧指數、損毀長度共9個性能指標，輸出向量為織物的TPP值，來建立消防服用外層織物的熱防護性能預測模型。并進行模型預測能力的驗證。

參考文獻

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[2] 李淑芬.計算機軟件技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2013.

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[9] 史策.熱傳導方程有限差分法的MATLAB實現[J].咸陽師范學院學報，2009，24（4）：1.