低輻射熱暴露下消防服熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方法研究進(jìn)展

鄧 夢(mèng)， 王云儀,3(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051; 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051; 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

低輻射熱暴露下消防服熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方法研究進(jìn)展

鄧 夢(mèng)1,2， 王云儀1,2,3
(1. 東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051; 2. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051; 3. 同濟(jì)大學(xué) 上海國(guó)際設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院， 上海 200092)

為全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)低輻射熱暴露下消防服的熱防護(hù)性能，分析了現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)室測(cè)評(píng)方法和數(shù)值模擬方法?；谙婪?nèi)傳熱機(jī)制的研究，闡述了消防服內(nèi)干態(tài)傳熱模型和熱濕耦合傳遞模型的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了熱防護(hù)性能的影響因素；分析了現(xiàn)階段低輻射熱暴露下織物和服裝熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方法，分別從測(cè)試方法的差異因素和局限2個(gè)角度闡述不同實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)熱防護(hù)性能預(yù)測(cè)的影響；總結(jié)了目前數(shù)值模擬在消防服熱濕傳遞機(jī)理研究方面的應(yīng)用；最后指出在未來(lái)的研究中，應(yīng)全面準(zhǔn)確模擬真實(shí)的低輻射熱暴露環(huán)境，提高消防服熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)的準(zhǔn)確性。

低輻射； 消防服； 傳熱機(jī)制； 性能測(cè)評(píng)

消防服通過(guò)隔絕或減少人體和熱災(zāi)害環(huán)境之間的熱量傳遞，避免或減少皮膚燒傷，是降低生命威脅的重要屏障。火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多樣，Barker等[1]根據(jù)環(huán)境溫度及輻射熱流強(qiáng)度等對(duì)其進(jìn)行了分類，分為常規(guī)環(huán)境、危險(xiǎn)環(huán)境和緊急環(huán)境。熱暴露類型是影響服裝熱防護(hù)性能的主要因素之一。已有大量研究利用織物熱防護(hù)性能(簡(jiǎn)稱TPP)、織物輻射熱防護(hù)性能(簡(jiǎn)稱RPP)測(cè)試評(píng)估緊急環(huán)境下織物的熱防護(hù)性能。緊急環(huán)境的特點(diǎn)是熱流強(qiáng)度高、熱暴露時(shí)間短，通常在較大的火災(zāi)和爆炸中遇到[2]。調(diào)查研究表明，常規(guī)環(huán)境和危險(xiǎn)環(huán)境水平的熱輻射才是消防員面臨的主要熱危害[2]。常規(guī)環(huán)境和危險(xiǎn)環(huán)境是屬于低水平熱輻射環(huán)境，熱流密度為5～20 kW/m2[3]。通常，消防員在這種環(huán)境中持續(xù)作業(yè)數(shù)分鐘，而且，皮膚燒傷大多發(fā)生在這種熱暴露條件下[2]。

物理實(shí)驗(yàn)是消防服熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)的重要方法。在小規(guī)?？椢餃y(cè)試中，已將短時(shí)閃火熱暴露條件與長(zhǎng)時(shí)間純輻射熱暴露條件區(qū)分開(kāi)來(lái)，建立了ASTM F 1939—2015《測(cè)試阻燃服用織物在輻射熱暴露條件下的輻射熱阻》、ASTM F 2702—2015《評(píng)估阻燃服裝材料的輻射熱性能進(jìn)行燒傷預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》和ASTM F 2731—2011《測(cè)試消防服熱傳遞及熱蓄積性能》等一系列標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)測(cè)定較低輻射熱暴露下消防服系統(tǒng)的熱防護(hù)性能[4]。Hummel等[5]發(fā)現(xiàn)，相同輻射熱流強(qiáng)度，使用RPP和SET測(cè)試平臺(tái)測(cè)得的熱防護(hù)性能不同，目前標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法本身的局限性顯著影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在全尺度假人測(cè)試層面，開(kāi)發(fā)了輻射假人RadManTM，該裝置熱源能夠提供5～21 kW/m2的低水平熱輻射[6]。目前，低輻射熱暴露下織物及服裝的測(cè)試環(huán)境與真實(shí)條件存在差異性，測(cè)評(píng)裝置及方法仍有待提高。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述，基于消防服傳熱模型，對(duì)比分析了目前測(cè)評(píng)方法的差異因素及局限，并總結(jié)了數(shù)值模擬在輻射熱作用下熱防護(hù)性能測(cè)評(píng)方面的應(yīng)用。

1 消防服內(nèi)傳熱模型

消防服內(nèi)部熱濕傳遞機(jī)制是進(jìn)行服裝熱防護(hù)性能研究的基礎(chǔ)。學(xué)者建立了“熱源—織物—空氣層—傳感器/人體皮膚”系統(tǒng)的傳熱模型，并運(yùn)用該模型探究消防服與周圍環(huán)境的傳熱機(jī)制、預(yù)測(cè)人體皮膚燒傷以及研究模型參數(shù)化。目前消防服內(nèi)熱濕傳遞模型可分為干態(tài)傳熱模型和熱濕耦合傳遞模型。

1.1 干態(tài)傳熱模型

1.1.1微分方程的建立

干態(tài)傳熱模型是指不考慮水分對(duì)熱傳遞作用的模型。Torvi等[7]基于ASTM D 4108—1987《明火法測(cè)量服裝材料熱防護(hù)性能》標(biāo)準(zhǔn)下的TPP實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用有限元法建立了低熱流冷卻階段中單層織物內(nèi)的一維傳熱模型，如下式。

式中：CA為顯熱容，J/(m3·K)；T為織物溫度，K；t為時(shí)間，s；x為垂直通過(guò)織物的距離，m；k為面料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；texp為熱暴露時(shí)間，s。

Torvi等[7]發(fā)現(xiàn)織物熱性質(zhì)和邊界條件的選擇對(duì)織物溫度和測(cè)試結(jié)果有重要影響。

Mell等[8]將單層織物的傳熱模型拓展至多層織物，建立了低輻射熱暴露條件下，垂直方向放置的多層織物系統(tǒng)內(nèi)的一維傳熱模型，以預(yù)測(cè)織物表面的溫度和熱流量，但是未考慮織物的透射率和反射率等光學(xué)性能。Onofrei等[9]分別建立了低輻射熱暴露階段和冷卻階段多層消防服內(nèi)的一維熱傳遞模型，分析了空氣層厚度的影響。

Su等[10]基于雙通量模型，改進(jìn)了低輻射(8.5 kW/m2)熱暴露下多層防火織物內(nèi)的傳熱模型，該模型考慮了織物的自發(fā)射輻射。鑒于以上傳熱模型沒(méi)有考慮織物熱降解反應(yīng)，Zhu等[11]建立了考慮材料高溫?zé)峤獾妮椛錀l件下阻燃材料的一維熱傳遞模型。另外，為了考慮人體三維特征對(duì)熱防護(hù)性能的影響，Zhu等[12]將人體軀干近似為圓柱體，建立了織物的一維徑向傳熱模型。

1.1.2邊界條件

Torvi等[7]證明邊界條件是影響織物傳熱模型的重要因素?？椢餆醾鬟f方程的內(nèi)外邊界條件分別是與皮膚和暴露熱源的邊界換熱，當(dāng)t≥0，最外層受熱面的邊界條件見(jiàn)下式[13]。

式中：λm為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；T為材料溫度；t為時(shí)間；qrad和qconv分別為熱源與多層織物最外層表面的輻射及對(duì)流換熱量。

能量守恒方程的外邊界條件依熱源的類型不同而有所區(qū)別，若為純?nèi)肷漭椛錈?，則不必考慮對(duì)流換熱系數(shù)。另外，不同方向放置織物，將影響織物熱傳遞方程的內(nèi)邊界條件，因?yàn)榭椢飪?nèi)表面與皮膚間空氣層的對(duì)流傳熱與空氣層所處的方向有一定的聯(lián)系[14]。

1.2 熱濕耦合傳遞模型

為研究低輻射熱暴露下多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能，Prasad等[15]建立了一維瞬態(tài)熱濕傳遞模型，模型考慮了熱暴露和冷卻階段水分的擴(kuò)散和吸收，未考慮水分的毛細(xì)作用，研究發(fā)現(xiàn)消防服內(nèi)水分的含量和分布顯著影響消防服內(nèi)溫度分布。黃冬梅[16]基于連續(xù)介質(zhì)模型和生物熱方程提出了低輻射熱暴露下多層織物系統(tǒng)內(nèi)“織物—空氣層—皮膚層”的熱濕耦合傳遞模型，考慮了水分相變伴隨的能量變化。Fu等[17]在前期研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了低水平輻射條件下有空氣層的消防服內(nèi)一維熱濕傳遞數(shù)值模型，考慮了水分對(duì)輻射熱傳遞的影響，但未考慮水分的擴(kuò)散和毛細(xì)作用。apka等[18]基于多孔介質(zhì)理論，分析了熱輻射暴露下多層織物系統(tǒng)內(nèi)的傳熱傳質(zhì)，建立了織物的熱濕傳遞模型，模型考慮了水分的擴(kuò)散和相變。

1.3 熱防護(hù)性能影響因素

通過(guò)對(duì)消防服內(nèi)熱濕傳遞模型研究的總結(jié)，可看出模型研究從單層織物傳熱向多層織物熱濕耦合模型發(fā)展，在模型發(fā)展過(guò)程中，所考慮的因素更加全面，熱防護(hù)性能預(yù)測(cè)更加精確。表1示出消防服傳熱模型優(yōu)缺點(diǎn)以及熱防護(hù)性能影響因素。

表1 消防服傳熱模型分析Tab.1 Analysis of heat transfer models in firefighter clothing

綜上，消防服熱防護(hù)性能受很多因素影響，包括：1)熱暴露環(huán)境，如熱源類型和輻射強(qiáng)度，影響織物傳熱方程的外邊界條件；2)織物性質(zhì)，如熱物理和光學(xué)性質(zhì)，決定傳熱模型的參數(shù)以及織物內(nèi)水分含量與分布等；3)衣下空氣層，如空氣層的厚度與位置等。

2 測(cè)評(píng)方法對(duì)比分析

物理實(shí)驗(yàn)是目前測(cè)評(píng)和優(yōu)化熱防護(hù)織物或服裝性能的重要手段。物理實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)值模型的參數(shù)和邊界條件，是建立數(shù)值模型的基礎(chǔ)和主要驗(yàn)證方法。其中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法的不同會(huì)對(duì)測(cè)評(píng)結(jié)果產(chǎn)生影響。

2.1 小規(guī)?？椢餃y(cè)試

2.1.1測(cè)試方法

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)低輻射熱暴露下消防服的熱防護(hù)性能，在織物層面的測(cè)試中，已經(jīng)單獨(dú)將純熱輻射條件與熱對(duì)流和熱輻射組合的閃火熱暴露條件進(jìn)行區(qū)別，并形成了一些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和方法[4]。這些測(cè)試方法使用較低的輻射熱強(qiáng)度和較長(zhǎng)的暴露時(shí)間，如ASTM F 1939—2015和ASTM F 2702—2015中提供(21±2)kW/m2輻射熱流量，ASTM F 2731—2011中提供(8.5±0.5)kW/m2輻射熱流量。

分析表1中數(shù)據(jù)得出，結(jié)合織物熱防護(hù)性能的影響因素，將目前輻射熱作用下織物熱防護(hù)服性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法總結(jié)如表2所示。

除了以上提到的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，還有一些非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。如朱方龍等[13]將人體軀干簡(jiǎn)化為圓柱體，搭建熱輻射作用下織物熱防護(hù)性能測(cè)試裝置，該裝置考慮了織物受熱收縮造成的影響。Prasad等[15]搭建了低輻射熱環(huán)境中人體出汗與輻射并存的模擬裝置，該裝置使用電加熱噴霧器產(chǎn)生液滴，模擬人體出汗，考慮水分對(duì)傳熱的影響。實(shí)驗(yàn)證明了低輻射暴露下織物吸收液體轉(zhuǎn)移的冷卻作用以及冷凝的加熱作用，對(duì)織物熱濕傳遞具有顯著影響，但是，空氣層呈水平方向，與實(shí)際的垂直方向不符，導(dǎo)致織物與人體皮膚間空氣層內(nèi)對(duì)流傳熱的差異。

表2 熱輻射作用下織物防護(hù)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standard test for radiant protective performance of flame resistant materials

2.1.2測(cè)試方法中的差異因素

由表2的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法以及非標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法可見(jiàn)，測(cè)評(píng)方法中使用的輻射熱源、試樣以及熱流傳感器等各異，這將導(dǎo)致測(cè)評(píng)結(jié)果存在差異。其中，不同的熱源類型對(duì)應(yīng)不同的傳熱方程外邊界條件[13]，因此影響熱防護(hù)性能測(cè)試結(jié)果。試樣尺寸影響輻射角系數(shù)，從而影響織物的輻射傳熱[16]。試樣的放置方向不僅影響織物與環(huán)境間的輻射角系數(shù)，而且造成衣下空氣層內(nèi)對(duì)流傳熱外邊界條件的差異。

1)輻射熱源。消防服的熱防護(hù)性能很大程度上取決于熱暴露的類型和強(qiáng)度，理論上來(lái)說(shuō)，熱流量影響傳熱模型的邊界條件。表2中ASTM F 1939—2015和ASTM F 2702—2015基于Stoll曲線預(yù)測(cè)皮膚發(fā)生二級(jí)燒傷的時(shí)間，注意，Stoll曲線是基于皮膚直接暴露于均勻分布的熱流量下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此，測(cè)試儀準(zhǔn)確預(yù)測(cè)皮膚燒傷的關(guān)鍵在于熱源產(chǎn)生均勻分布的輻射熱流量。然而，Wan等[19]通過(guò)數(shù)值模擬RPP測(cè)試發(fā)現(xiàn)，試樣表面中心區(qū)域的輻射熱流量分布相對(duì)均勻，而兩側(cè)邊緣的輻射熱流量相對(duì)較低。即織物試樣表面的輻射熱流量并不是均勻的，那么基于Stoll曲線預(yù)測(cè)燒傷將產(chǎn)生偏差。

另外，不同的輻射熱源加熱元件也將產(chǎn)生不同的熱流量水平，RPP測(cè)試儀的紅外石英管在整個(gè)熱暴露過(guò)程中提供恒定水平熱流量，而SET測(cè)試儀的溫控陶瓷黑體加熱器由于要補(bǔ)償儀器部件和試樣夾持器的再輻射作用，產(chǎn)生較低水平熱流量[5]。

2)試樣尺寸與放置方向。Sawcyn等[20]發(fā)現(xiàn)，織物和傳感器間空氣層的熱傳遞主要以輻射熱交換為主。不同測(cè)試方法中試樣的尺寸不同，而試樣的尺寸影響其與傳感器間的輻射角系數(shù)，從而影響輻射傳熱[21]。

小規(guī)模臺(tái)式測(cè)試中，試樣的放置方向主要有水平和垂直2種。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在10、20 kW/m2較低熱流下，垂直單層織物的溫度與文獻(xiàn)中水平測(cè)試結(jié)果相似[19]，但是，Udayraj等[22]運(yùn)用(CFD)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))模擬探究閃火熱暴露下水平和垂直方向空氣層對(duì)二級(jí)燒傷的影響，發(fā)現(xiàn)垂直方向空氣層的防護(hù)性能更好，且空氣層內(nèi)輻射傳熱不受空氣層方向的影響，而對(duì)流傳熱受其影響。

3)熱流傳感器。RPP測(cè)試儀所使用的銅片熱流傳感器適合于短時(shí)間高強(qiáng)度熱暴露，在長(zhǎng)時(shí)間較低熱流量暴露下，會(huì)發(fā)生熱飽和效應(yīng)。由于此種傳感器未考慮銅的熱散失，因此低估了低強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間熱暴露下的熱流量[23]，而熱蓄積測(cè)試(stored energy test，SET)裝置使用水冷式Schmidt-Boelter熱電堆傳感器，其水冷循環(huán)系統(tǒng)解決了熱飽和問(wèn)題，但是該種傳感器熱響應(yīng)時(shí)間較慢，精度受暴露時(shí)間影響，而且笨重昂貴[23]。

2.1.3測(cè)試方法的局限

1)對(duì)空氣層的考慮。為模擬服裝與人體皮膚間的間距，臺(tái)式測(cè)試通常在傳感器與面料之間設(shè)置空氣層，但NFPA 1977—2011《荒地滅火用防護(hù)服和設(shè)備標(biāo)識(shí)》規(guī)定的21 kW/m2輻射強(qiáng)度下的RPP測(cè)試以及ASTM F 2731—2011規(guī)定的8.5 kW/m2輻射強(qiáng)度下的SET測(cè)試等，都沒(méi)有考慮織物與傳感器之間空氣層的影響。

空氣層對(duì)熱防護(hù)性能的影響較為復(fù)雜。一方面，由于衣下空氣層的傳導(dǎo)系數(shù)比織物要小得多，降低了熱量傳遞速度，起到了很好的隔熱作用[24]；另一方面，隨空氣層厚度的增大，空氣層傳導(dǎo)傳熱減小，而自然對(duì)流傳熱更加明顯，從而降低服裝隔熱性能。Zhu等[25]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣層厚度在3～15 mm范圍變化時(shí)，單層織物在強(qiáng)輻射熱暴露下的二級(jí)燒傷時(shí)間先增加后減小，而后又增加。低輻射(2、5、10 kW/m2)熱暴露以及冷卻階段，空氣層厚度對(duì)多層織物系統(tǒng)的熱防護(hù)性能起正面作用，隨著空氣層厚度的增加，可延長(zhǎng)皮膚燒傷的時(shí)間[26]。

人體體表形狀復(fù)雜，服裝覆蓋于人體表面所形成的衣下空氣層分布不均勻，小規(guī)模臺(tái)式測(cè)試并不能準(zhǔn)確地模擬衣下空氣層的分布，而且，低輻射下空氣層對(duì)消防服傳熱的影響還受織物內(nèi)水分以及人體出汗的影響[23]。另外，多層消防服層間往往不是緊密接觸，尤其是外層與防水層間存在著較大空氣層[16]，然而，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法中并沒(méi)有統(tǒng)一要求是否需要在織物層間增加空氣層。

2)對(duì)水分的考慮。水分對(duì)織物熱防護(hù)性能的影響較復(fù)雜，不同研究所獲得的結(jié)果可能相反。在6.3 kW/m2低輻射的熱暴露下，消防服單層織物的熱防護(hù)性能先減小后增大，在水分接近織物系統(tǒng)質(zhì)量15%時(shí)，熱防護(hù)性能最差，當(dāng)含水達(dá)到100%時(shí)，二級(jí)燒傷時(shí)間接近干態(tài)情況[27]。

這是因?yàn)閷?duì)流/傳導(dǎo)和輻射是織物和傳感器間的主要傳熱方式，當(dāng)織物變得濕潤(rùn)時(shí)，由于水的導(dǎo)熱性優(yōu)于空氣，使得織物系統(tǒng)的熱導(dǎo)率增大，從而提高織物的熱傳遞性能，降低熱防護(hù)性能[28]，但是，由于水的比熱大于空氣，因此含水織物可存儲(chǔ)更多熱量，這又增強(qiáng)了織物的熱防護(hù)性能[29]。

相關(guān)測(cè)試方法在模擬消防服中的水分時(shí)，只是在熱暴露開(kāi)始前向織物系統(tǒng)中加入一定量的水分，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不再加水，這與消防員工作不斷出汗、外界不斷噴水的情況差距較大，更沒(méi)有模擬消防服在真實(shí)火場(chǎng)中的熱濕環(huán)境。另外，在阻燃織物和防護(hù)服的熱防護(hù)性能測(cè)試中，通常使用不同傳感器(比如銅片熱流傳感器和皮膚模擬傳感器)模擬皮膚組織內(nèi)的傳熱[23]，不能模擬消防員在執(zhí)行作業(yè)中人體出汗的過(guò)程。

2.2 全規(guī)模假人測(cè)試

小規(guī)模的臺(tái)式測(cè)試能夠提供輻射熱暴露下織物的熱響應(yīng)信息，但是無(wú)法解釋存在于服裝內(nèi)的所有變量，如合體性，織物層，空氣間隙以及口袋和反光帶等附加設(shè)計(jì)的影響。

Rossi等[30]研發(fā)了輻射假人HENRY，使用加熱棒產(chǎn)生低輻射熱流。美國(guó)北卡州立大學(xué)建成了RadManTM，可用來(lái)評(píng)價(jià)5～21 kW/m2輻射熱條件下服裝系統(tǒng)的輻射防護(hù)性能[6]。Fu等[17]使用“Newton”出汗暖體假人和炭化硅輻射板，探究低輻射熱暴露下水分和輻射對(duì)消防服熱防護(hù)性能的綜合作用。隨后，進(jìn)一步比較了低水平輻射下小規(guī)模臺(tái)式和全規(guī)模假人測(cè)試的差異性，發(fā)現(xiàn)來(lái)自人體出汗的內(nèi)部水分對(duì)低輻射下服裝的傳熱和熱性能有顯著影響[31]。

3 數(shù)值模擬

物理實(shí)驗(yàn)方法具有破壞性，且變化環(huán)境參數(shù)、織物參數(shù)等具有一定難度。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)織物的熱傳遞性能進(jìn)行模擬，可彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)的缺陷，為消防服防護(hù)性能的評(píng)估和優(yōu)化提供重要的理論基礎(chǔ)。

3.1 織物一維熱傳遞模擬

Torvi等[7]采用有限元方法模擬了熱暴露冷卻階段單層織物的傳熱過(guò)程，探究了織物厚度和空氣層厚度對(duì)熱防護(hù)性能預(yù)測(cè)的影響。Mell等[8]運(yùn)用有限體積法模擬了低輻射熱暴露下三層織物系統(tǒng)的熱傳遞過(guò)程，織物里層溫度的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的一致性很好(5 ℃以內(nèi))，但是外層溫度的差異高達(dá)24 ℃，這可能是因?yàn)榭椢锿干渎屎头瓷渎实墓烙?jì)誤差。

Onofrei等[9]用有限元軟件模擬了ISO 6942—2002《防護(hù)服 耐熱和耐火防護(hù) 試驗(yàn)法：暴露于輻射熱源時(shí)對(duì)材料和材料套件的評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)的RPP測(cè)試，數(shù)值探究了熱流量和空氣層厚度對(duì)皮膚二級(jí)燒傷的影響。Jiang等[32]建立低輻射條件下多層織物系統(tǒng)的傳熱模型，模擬ISO 6942—2002標(biāo)準(zhǔn)的RPP試驗(yàn)，結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好，這里已建立了火場(chǎng)環(huán)境仿真的三維CFD模型，但是對(duì)織物內(nèi)的熱傳遞仍為一維模型。通過(guò)對(duì)RPP測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)RPP測(cè)試中入射到織物表面輻射熱流量并不均勻[19]，此結(jié)論可為測(cè)試裝置改進(jìn)提供理論依據(jù)。以上研究在模型維數(shù)和儀器形態(tài)的假設(shè)方面，均采用了基于平壁假設(shè)的一維傳熱模型，朱方龍等[12]則將人體軀干簡(jiǎn)化為圓柱體，模擬一維徑向傳熱，并探究了1～12 mm空氣層厚度下的熱流量，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。

消防服熱濕傳遞數(shù)值模擬方面的研究較少，主要借鑒其它紡織材料的模擬方法。Chen[33]建立了100%紅外輻射低-中等熱流暴露條件下，單層面料的熱濕耦合模型，但是忽略了輻射熱傳遞。Prasad[15]通過(guò)數(shù)值模擬探究了2.5 kW/m2熱輻射及冷卻階段，通過(guò)服裝的熱濕傳遞過(guò)程，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)一致。Keiser等[29]對(duì)長(zhǎng)時(shí)間低強(qiáng)度輻射熱流下濕態(tài)多層熱防護(hù)服裝各層的熱濕傳遞過(guò)程進(jìn)行了數(shù)字化模擬研究。

3.2 服裝三維熱傳遞模擬

一維傳熱模型假設(shè)在任意時(shí)刻試樣整個(gè)表面的溫度一致，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，織物表面存在明顯的溫度梯度[20]，為此有必要建立多維的傳熱模型。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)逐漸被運(yùn)用其中。Han等[34]借助CFD建立了輻射熱條件下裸體假人的三維熱傳遞模型。Jiang等[32]建立了三維火場(chǎng)，但對(duì)織物傳熱模擬仍為一維模型。由于服裝本身屬性特殊，服裝領(lǐng)域相關(guān)的數(shù)值模擬研究起步較晚[35]。Tian等[36]運(yùn)用CFD模擬了閃火熱暴露下著裝燃燒假人的三維熱傳遞過(guò)程，研究中選取了不易收縮，保型性較好的單層熱防護(hù)服裝建立模型，忽略熱收縮的影響，未來(lái)有望拓展研究中建立的數(shù)值模型，探索多種熱環(huán)境條件下多層服裝系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理。

4 結(jié) 語(yǔ)

消防服作為消防員的生命保障，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)其熱防護(hù)性能具有重要意義。火場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，消防服熱防護(hù)性能的研究重點(diǎn)在于如何盡可能準(zhǔn)確地模擬實(shí)際火場(chǎng)環(huán)境。相比低輻射熱暴露條件，學(xué)者更多關(guān)注閃火強(qiáng)熱流下消防服的熱防護(hù)性能。對(duì)于低輻射熱環(huán)境的研究，仍有很大發(fā)展空間。

消防服內(nèi)熱濕傳遞機(jī)制復(fù)雜，其準(zhǔn)確度仍有待提高，熱濕傳遞模型大多以一維為主，對(duì)織物熱分解反應(yīng)、織物光學(xué)熱性質(zhì)、水分與空氣層等因素的考慮不夠充分。消防服熱濕傳遞的數(shù)值模擬有了初步的發(fā)展，已有閃火強(qiáng)熱流下單層消防服的三維傳熱模擬，但是低輻射熱暴露下服裝層面全尺度的數(shù)值模擬尚未有研究報(bào)道。未來(lái)，可運(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)行服裝整體的三維熱濕耦合傳遞的模擬，綜合考慮外部環(huán)境(風(fēng)速、水分等)、服裝以及人體(出汗等生理反應(yīng))的共同影響。

小規(guī)?？椢飳用娴臏y(cè)試方法，輻射熱源、試樣尺寸和放置方向以及熱流傳感器等因素會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，有必要對(duì)測(cè)試裝置，以及加濕、設(shè)置空氣層等測(cè)試程序進(jìn)行規(guī)范化。對(duì)于服裝整體輻射熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)，仍有待形成一定的測(cè)試規(guī)范與評(píng)價(jià)方法。

總之，目前低輻射熱暴露下消防服熱防護(hù)性能的研究尚不完善。對(duì)于消防服熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)需要充分考慮消防服使用環(huán)境的實(shí)際條件，全面考慮各影響因素，準(zhǔn)確合理地預(yù)測(cè)火場(chǎng)環(huán)境對(duì)人體的燒傷，建立完善的熱防護(hù)性能評(píng)價(jià)體系。

FZXB

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Analysisofevaluationmethodofthermalprotectiveperformanceoffirefighterprotectiveclothingexposuretolowlevelradiation

DENG Meng1,2， WANG Yunyi1,2,3
( 1．Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2．KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.ShanghaiInstituteofDesignandInnouation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to improve the accuracy of the evaluation of the thermal protective performance of firefighter protective clothing exposed to low level radiation, existing experimental evaluation methods and numerical modeling methods of heat transfer were analyzed. Based on the research of the heat transfer mechanism in firefighter protective clothing, the research status of heat and moisture transfer models was reviewed. The factors which affected the thermal protective performance were summarized. The evaluation methods of the thermal protective performance of firefighter clothing in low level radiation were summarized, and the effect of experiment methods and experimental equipment on the prediction of thermal protective performance were analyzed from two aspects of differences and limitations of test methods. The application of numerical simulation in the heat and moisture transfer was summarized. Simulating the exposure conditions in low level radiation exactly should be proposed in the future study to improve the accuracy of the evaluation of the thermal protective performance in firefight clothing.

low level radiation; firefighter protective clothing; heat transfer mechanism; performance evaluation

10.13475/j.fzxb.20170303108

TS 941.73

A

2017-03-15

2017-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51576038)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(17ZR1400500)

鄧夢(mèng)(1991—)，女，博士生。研究方向?yàn)楣δ芊雷o(hù)服裝。王云儀，通信作者，E-mail: wangyunyi@dhu.edu.cn。