基于計算機仿真的高溫作業(yè)服設(shè)計分析

石鎏 趙飛 王玉昆

摘 要：本文研究了高溫作業(yè)專用熱防護(hù)服材料的熱傳導(dǎo)問題，為熱防護(hù)服的功能性設(shè)計提供方案和參考。首先分析各項因素對熱傳導(dǎo)過程的影響，基于合理假設(shè)簡化模型，根據(jù)熱學(xué)相關(guān)定理，建立"熱防護(hù)服-空氣層-人體"的熱傳導(dǎo)模型，為分析后續(xù)問題奠定基礎(chǔ)。其次建立"Ⅱ?qū)涌椢锖穸?溫度分布"的關(guān)系，已知Ⅱ?qū)涌椢锖穸鹊姆秶?，本文從此范圍里差分取特殊值用計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到一系列與Ⅱ?qū)雍穸扔嘘P(guān)的溫度分布情況。最后利用value 評估函數(shù)，來對該范圍內(nèi)的各厚度值進(jìn)行評估，具有較高經(jīng)濟型和舒適度的Ⅱ?qū)涌椢锊牧虾穸葹?0.5mm。

關(guān)鍵詞：高溫作業(yè)專用服裝;熱傳導(dǎo)模型;有限差分法

引言

在消防和工業(yè)生產(chǎn)過程中，工作人員常常工作于高溫環(huán)境下，需要穿著專用服裝。避免皮膚灼傷。高溫作業(yè)專用服裝不僅具有普通防護(hù)服的服用性能，更必須具備在高溫條件下對人體進(jìn)行安全防護(hù)的功能。高溫專用服裝通常由三層織物材料構(gòu)成，記為 I、II、III 層，其中 I 層與外界環(huán)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(hù)服使人體表皮溫度在規(guī)定時間內(nèi)維持在安全值范圍內(nèi)，是人體安全的重要保證。

1 .熱傳導(dǎo)基礎(chǔ)模型建立

假設(shè)人體體內(nèi)的溫度恒定為 37℃，假設(shè)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(hù)服最外側(cè)與實驗室高溫環(huán)境接觸處為坐標(biāo)原點建立坐標(biāo)系，x 軸正向指向皮膚方向，可得 “多層熱防護(hù)服—空氣層—人體”的系統(tǒng)。

根據(jù)傳統(tǒng)的 Pennes 的生物熱傳導(dǎo)模型，假設(shè)組織是連續(xù)性介質(zhì)，將織物的熱傳導(dǎo)性質(zhì)同性化到各類皮膚組織的熱傳導(dǎo)性質(zhì)上，即可將該系統(tǒng)完善為從實驗室的恒定高溫?zé)嵩吹郊偃梭w內(nèi) 37℃的恒定低溫?zé)嵩粗g共有七層導(dǎo)熱介質(zhì)的雙熱源一維導(dǎo)熱系統(tǒng)。

對于所建立的有雙熱源的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程的模型，根據(jù)假設(shè)可知該模型的各層導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，則根據(jù)傳熱學(xué)中導(dǎo)熱微分方程的相關(guān)知識，得適合本系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱微分方程：

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

2 .最優(yōu)解模型建立及求解

在既有假設(shè)下，當(dāng)內(nèi)外熱源溫度保持恒定，且各層導(dǎo)熱介質(zhì)的物理性質(zhì)和厚度均不變時，經(jīng)過足夠長的時間，導(dǎo)熱的結(jié)果會由非穩(wěn)態(tài)發(fā)展為近似穩(wěn)態(tài)，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?qū)雍穸葹槲粗?，易知每一個δδ都對應(yīng)一個“時間—空間”區(qū)域的溫度分布。視δδ為自變量，則溫度 T 的分布函數(shù)就是對應(yīng)的因變量。

本文采用特征值擬合的方法來確認(rèn)Ⅱ?qū)雍穸圈摩臐M足的范圍：在（0.6，25）范圍內(nèi)取所有的整數(shù)值進(jìn)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(jìn)行對比，包括穩(wěn)態(tài)所達(dá)到的溫度、到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需要的時間、60 分鐘工作時間內(nèi)超過 44℃的時間等等，從而一步一步縮小δδ的范圍，經(jīng)過多次的取特征值進(jìn)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(dāng)導(dǎo)熱介質(zhì)的厚度增加時，阻礙熱量的傳遞，傳熱速率減慢，即當(dāng)δδ增大時，同一個節(jié)點到達(dá)同樣的溫度的時間會延長。

接下來求δδ的最優(yōu)解。當(dāng)Ⅱ?qū)涌椢锖穸圈摩脑龃髸r，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(yīng)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(jié)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(fù)擔(dān)，而且根據(jù)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(huán)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(jīng)濟型是影響其是否達(dá)到最優(yōu)性能的重要因素。當(dāng)織物厚度增大時，它的體積隨之增大，防護(hù)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(jīng)濟型，又易知熱防護(hù)服的舒適性隨重量增大而變小，所以經(jīng)濟型和舒適性與材料厚度的關(guān)系均為負(fù)相關(guān)。

現(xiàn)用 value 評估函數(shù)來得δδ Ⅱ 的最優(yōu)解：

結(jié)論：

本文通過分析各項因素對熱傳導(dǎo)過程的影響，基于合理假設(shè)簡化模型，根據(jù)熱學(xué)相關(guān)定理，建立“熱防護(hù)服—空氣層—人體”的熱傳導(dǎo)模型，為分析后續(xù)問題奠定基礎(chǔ)。建立“Ⅱ?qū)涌椢锖穸取獪囟确植肌钡年P(guān)系，已知Ⅱ?qū)涌椢锖穸鹊姆秶胿alue 評估函數(shù)，來對該范圍內(nèi)的各厚度值進(jìn)行評估。

參考文獻(xiàn)：

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