高溫作業(yè)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(jié)合多層平壁熱傳遞模型和干燥熱傳遞模型，構(gòu)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(shù)據(jù)預處理發(fā)現(xiàn)皮膚表層超過1646s以后溫度不再增長，我們認為自此系統(tǒng)處于動態(tài)熱平衡狀態(tài)。利用有限差分法在MATLAB上算出動態(tài)熱平衡之前的溫度分布，得到動態(tài)熱平衡狀態(tài)時各層交界處的溫度。

關(guān)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(xiàn)如今人們從事各種高溫作業(yè)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(huán)境滅火救援時常處于高溫高輻射的環(huán)境，如果防護服太厚重，經(jīng)常會導致熱應激反應，因此在高溫作業(yè)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(jù)已知的服裝材料的參數(shù)值以及在條件為75℃環(huán)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(huán)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(cè)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(yōu)厚度;（3）當環(huán)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(yōu)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(jié)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(shù)值計算的基本步驟[9]：

（1）區(qū)域的離散或子區(qū)域的劃分;

（2）插值函數(shù)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?qū)拥淖顑?yōu)厚度

利用問題一的偏微分方程，建立假人皮膚外側(cè)溫度與第Ⅱ?qū)雍穸群蜁r間的關(guān)系。由于第Ⅱ?qū)雍穸仍?.6～25mm之間，以0.1mm間隔遍歷出最優(yōu)厚度范圍在9.2～9.3mm之間，繼續(xù)細分得到第Ⅱ?qū)幼顑?yōu)厚度9.232mm。

1.5 Ⅱ?qū)雍廷魧拥淖顑?yōu)厚度

構(gòu)造皮膚外側(cè)溫度與第Ⅱ?qū)雍偷冖魧拥暮穸纫约皶r間的關(guān)系T（l2，l4，t），雙重循環(huán)遍歷出最優(yōu)厚度。得到第Ⅱ?qū)幼顑?yōu)厚度為8.7mm，第Ⅳ層最優(yōu)厚度為6.1mm。

2? 模型的評價與優(yōu)化

2.1 模型的優(yōu)點

建立的模型能與實際緊密聯(lián)系，具有堅實可靠的數(shù)學基礎(chǔ)，所需數(shù)據(jù)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(shù)學以及物理公式，計算量較大。

2.3 模型的優(yōu)化

用BP神經(jīng)網(wǎng)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(guān)系，輸入向量為外層織物的厚度、面密度、組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密、緯密、緊度、導熱系數(shù)、極限氧指數(shù)、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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