多層熱防護(hù)服的溫度分布與最優(yōu)厚度研究

張品戈 于泳博 蘭天然

摘? 要：研究高溫環(huán)境下專用服裝材料對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義。基于此，該文對(duì)多層熱防護(hù)服的溫度分布與最優(yōu)厚度進(jìn)行了研究。主要根據(jù)服裝織物層—空氣層—皮膚系統(tǒng)內(nèi)的熱力學(xué)規(guī)律，建立一維熱傳導(dǎo)考察溫度分布，并進(jìn)一步根據(jù)模型求得特定情況的最優(yōu)厚度，從而得到了在第II層的最佳厚度為11.5mm，第IV層厚度為5.3mm時(shí)可以在使隔熱服最輕薄的情況下滿足設(shè)計(jì)要求，可以作為實(shí)際問題參考。

關(guān)鍵詞：熱防護(hù)服? 溫度分布? 最優(yōu)厚度? 遺傳算法

中圖分類號(hào)：TB35 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）06（a）-0067-02

在高溫環(huán)境下工作時(shí)，人們需要穿著專用服裝以避免灼傷[1]。熱防護(hù)服是對(duì)在高溫或超高溫條件下工作的人員進(jìn)行安全保護(hù)，從而避免熱源對(duì)人體造成傷害的各種保護(hù)性服裝，具有阻燃性、拒液性、燃燒時(shí)無熔滴產(chǎn)生、遇熱時(shí)能夠保持服裝的完整性和穿著舒適性等特性[2]。熱防護(hù)服可以用于石油、化工、冶金、造船、消防、國防以及有明火、散發(fā)火花、熔融金屬和有易燃物質(zhì)的場(chǎng)所，所以，研究高溫環(huán)境下專用服裝材料對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)具有重要意義[3]。

1? 溫度分布

通過觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在1645s之后直至結(jié)束，溫度均穩(wěn)定在48.08℃。同時(shí)我們利用Excel繪制了散點(diǎn)圖（見圖1），觀察發(fā)現(xiàn)若用函數(shù)進(jìn)行擬合很有可能為分段函數(shù)形式，且第一段類似于對(duì)數(shù)函數(shù)、三次函數(shù)或冪函數(shù)，第二段類似于常數(shù)函數(shù)。

該專用服裝包含3層，最內(nèi)層與人體之間還存在一層空氣空隙。基于假設(shè)，我們認(rèn)為熱沿垂直于皮膚方向傳遞，即最終的溫度分布是溫度僅對(duì)時(shí)間t、距離x的函數(shù)關(guān)系。

熱傳遞包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射。熱傳導(dǎo)主要存在于固體傳熱中，熱對(duì)流存在于流體傳熱中，而熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。空氣層傳熱方式比較復(fù)雜，當(dāng)空氣層厚度小于6.4mm時(shí)， 傳熱方式為傳導(dǎo)與輻射，反之空氣發(fā)生自然對(duì)流。材料第IV層即空氣層厚度為0.6～6.4mm，基于此，我們對(duì)空氣層建立微分方程，利用有限元法建立的材料—空氣層—皮膚系統(tǒng)的微分方程如下：

其中，顯熱容CA和熱傳導(dǎo)率k都與溫度T有關(guān)，此處引進(jìn)顯熱容法來描述各層材料的比熱變化，顯熱容的計(jì)算公式為：

由（1）（2）可得如下方程：

將其視為一維無內(nèi)熱源熱傳導(dǎo)方程。根據(jù)假設(shè)，在一維坐標(biāo)x與時(shí)間t中，密度ρ傳導(dǎo)率k和比熱cρ都為定值，因此取熱擴(kuò)散系數(shù)α：

由于眾多約束條件不易于求解，所以考慮在求解過程中對(duì)邊界條件進(jìn)行改良。對(duì)求解過程進(jìn)行簡化，將皮膚表層溫度代入作為右邊界條件。經(jīng)過程序調(diào)試，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間誤差縮小至0.1，驗(yàn)證簡化模型成功。

我們利用Matlab進(jìn)行編程求解，得到圖2溫度分布圖。

2? 遺傳算法

遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計(jì)算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。

遺傳算法從一組隨機(jī)產(chǎn)生的初始解開始搜索過程。種群中的每個(gè)個(gè)體都是問題的一個(gè)解，稱為染色體。染色體是一串符號(hào)，比如一個(gè)二進(jìn)制字符串。這些染色體在后續(xù)迭代的下一代染色體，稱為后代。后代是由前一代染色體通過交叉或者變異運(yùn)算形成的。新一代形成中，根據(jù)適值的大小選擇部分后代，淘汰部分后代后，算法收斂與最好的染色體，它很可能就是最優(yōu)解或次優(yōu)解同。

在求解最優(yōu)厚度問題上我們要考慮到以下幾方面。

（1）恒定熱導(dǎo)率下，材料越厚，熱阻越大。

（2）過厚的材料影響人們行動(dòng)且耗費(fèi)更多的原料費(fèi)。

為了盡量輕便省料，并且滿足約束條件，我們?cè)O(shè)定最優(yōu)厚度為材料厚度的最小值。在計(jì)算過程中，通過8次遺傳算法的迭代，我們可以得到一個(gè)最優(yōu)厚度為9.2mm。

3? 結(jié)語

該部分研究在環(huán)境溫度為80℃時(shí)，確定II層和IV層的最優(yōu)厚度，確保工作30min時(shí)， 假人皮膚外側(cè)溫度不超過47℃且超過44℃的時(shí)間不超過5min。我們?nèi)匀徊捎孟嗤姆椒ǎ⑶覍⑽粗兞扛臑閮蓚€(gè)，同時(shí)改變約束條件，使其符合設(shè)計(jì)要求。增加限制條件：（1）時(shí)間為1800s;（2）第I層厚度為0.6mm，第III層厚度為3.6mm;（3）溫度為80℃。

將這些數(shù)據(jù)輸入進(jìn)遺傳算法的Matlab程序中，我們通過多次試驗(yàn)，去尋找最佳的優(yōu)化結(jié)果，從而得到了在第II層的最佳厚度為11.5mm，第IV層厚度為5.3mm使可以在使隔熱服最輕薄的情況下滿足設(shè)計(jì)所需的條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧琳珍，徐定華，徐映紅.應(yīng)用三層熱防護(hù)服熱傳遞改進(jìn)模型的皮膚燒傷度預(yù)測(cè)[J].紡織學(xué)報(bào)，2018（1）：25-28.

[2] 張文遠(yuǎn)，朱家明，張?jiān)莆?基于熱傳導(dǎo)機(jī)理的高溫作業(yè)專用服裝優(yōu)化研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019（2）：56-58.

[3] 羅鑫錦.利用MATLAB設(shè)計(jì)并預(yù)測(cè)高溫作業(yè)專業(yè)服裝的最優(yōu)厚度[J].通信電源技術(shù)，2019（1）：78.