大興安嶺北部飛鼠毛皮熱工性能實驗研究

王松慶于艷紅滿效強(qiáng)陳亮

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱，150040；2.東北林業(yè)大學(xué)野生動物資源學(xué)院，哈爾濱，150040)

飛鼠(Pteromysvolans)是分布在中國新疆阿爾泰山、東北地區(qū)、內(nèi)蒙古東部等地的亞高山針葉林的嚙齒目動物。哺乳動物作為恒溫動物，其毛皮在調(diào)節(jié)自身產(chǎn)熱和散熱的動態(tài)平衡中起著重要的作用，為動物適應(yīng)復(fù)雜多變的氣候環(huán)境、提高自身生存分布提供了必要的條件。毛皮的熱物性參數(shù)是反應(yīng)動物毛皮保溫性能的最直觀的數(shù)據(jù)，國外在動物毛皮傳熱性能領(lǐng)域上的研究起步較早，一些學(xué)者利用自己研發(fā)制造的毛皮熱工性能測試設(shè)備對動物毛皮的熱物性參數(shù)進(jìn)行了定量的實驗測試研究。Scholander等人將南極地區(qū)哺乳動物的毛皮固定于兩夾板之間，同時加熱兩夾板到相同的溫度后，將一側(cè)置于零攝氏度的環(huán)境中，對南極地區(qū)不同哺乳動物毛皮的保溫性能進(jìn)行了研究[1]。Boyles等人利用恒溫水浴向金屬板提供固定熱量的方法來使金屬板保持穩(wěn)定的溫度來模擬動物的恒定體溫，通過對不同毛皮的熱流密度以及毛皮內(nèi)外表面溫差的測定推算出毛皮傳熱系數(shù)，用此方法對不同地區(qū)的老鼠腹部毛皮在不同溫度、風(fēng)速、季節(jié)條件下的熱工性能進(jìn)行研究[2]。國內(nèi)關(guān)于動物毛皮的熱工性能研究和國外相比較晚，目前還處于探索研究階段。程志斌等人對漠河地區(qū)人工養(yǎng)殖的北極狐(Alopexlagopus)冬季毛皮性狀與保溫效果的關(guān)系進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明北極狐不是通過降低毛細(xì)度的方式來增加毛密度以達(dá)到加強(qiáng)保溫效果的目的，而是通過改變被毛在皮膚內(nèi)的分布格局來增加毛密度，并且將有髓質(zhì)的絨毛分為上下兩層來改變毛皮空間結(jié)構(gòu)。這兩種策略均提高了毛皮內(nèi)滯留空氣的含量，加強(qiáng)了毛皮的保溫性能，從而適應(yīng)高緯度地區(qū)的寒冷氣候[3]。鄭雷等在借鑒國外相關(guān)研究方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了動物體被穩(wěn)態(tài)過程熱物性參數(shù)測試平臺。通過此測試平臺對小興安嶺地區(qū)夏季及冬季時的黃鼬東北亞種(Mustelasibiricasibirca)雌性、雄性成體毛皮的熱工性能進(jìn)行了嘗試性研究。研究結(jié)果表明黃鼬東北亞種雌雄個體毛皮的熱工性能存在差異。與此同時，黃鼬在不同季節(jié)時毛皮的熱工性能也存在差異，冬季毛皮的保溫性能要優(yōu)于夏季毛皮保溫性能[4-5]。華彥對黃鼬東北亞種毛皮熱力學(xué)特性及影響因素進(jìn)行了進(jìn)一步研究[6]。但由于毛皮結(jié)構(gòu)及傳熱的復(fù)雜性，基本物性參數(shù)隨時間、環(huán)境的變化而變的復(fù)雜多變，至今仍然沒有統(tǒng)一的測定方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文通過自建毛皮熱物性參數(shù)測試平臺，對分布于大興安嶺北部地區(qū)冬季飛鼠的毛皮熱工性能開展實驗研究，采用熱流密度、總傳熱系數(shù)等評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用導(dǎo)熱系數(shù)這一指標(biāo)對評價動物毛皮熱工性能的熱物性參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化研究，研究結(jié)果可以作為解釋飛鼠安全越冬的重要理論依據(jù)。

1 實驗平臺構(gòu)建

本實驗采用的實驗平臺，可完成對標(biāo)準(zhǔn)樣品基本熱物性參數(shù)的測試。該測試平臺主要由4部分組成：溫度及熱流密度測定系統(tǒng)、計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、溫度自動控制系統(tǒng)和風(fēng)速變頻控制系統(tǒng)，測試系統(tǒng)各組成部分如圖1所示，測試原理與步驟詳見文獻(xiàn)[7]。

圖1 測試系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic of test system

2 實驗材料與步驟

2.1 實驗材料獲得及取樣

以捕獲的大興安嶺北部地區(qū)冬季越冬飛鼠為研究對象，此次捕獲飛鼠得到了中國野生動物保護(hù)協(xié)會的批準(zhǔn)，共捕獲5只成體飛鼠，體重在86.7 ～99.7 g之間，平均值為(93.8±4.0)g。將剝離后的毛皮自然展開鋪平，用夾子固定邊緣放置于室內(nèi)遮陽處自然干燥。在飛鼠臀部割取100 mm×50 mm的毛皮作為待測試樣，實驗前將試樣拍打恢復(fù)至自然蓬松狀態(tài)。

2.2 實驗步驟

2.2.1 待測試樣的放置

實驗時將蓬松的毛皮試樣放置于測試小室內(nèi)部凹槽內(nèi)，為了避免毛皮加熱后發(fā)生卷曲現(xiàn)象，用3 mm厚的有機(jī)玻璃板加工成10 mm×50 mm×100 mm的邊框，實驗時壓于毛皮試樣邊緣以增強(qiáng)毛皮與均熱板之間的接觸。

2.2.2 測試平臺的運行

開啟計算機(jī)打開數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)定采樣參數(shù)，將冰水混合物放入保溫裝置以作為熱電偶的溫度參考零點，開啟超級恒溫水浴設(shè)定熱板溫度為38℃，開啟風(fēng)機(jī)使風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)循環(huán)后再開啟壓縮機(jī)制冷裝置，待整個測試平臺運行穩(wěn)定后開始采樣。實驗過程中小室內(nèi)的溫度和風(fēng)速由布置的測點測得，并可以由風(fēng)速變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速、制冷裝置和鉑熱電阻共同實現(xiàn)對溫度調(diào)節(jié)。實驗結(jié)束后，先關(guān)閉制冷裝置，讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運轉(zhuǎn)半個小時以上以防止室內(nèi)空氣進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)部后與冷空氣相遇發(fā)生水蒸氣凝結(jié)現(xiàn)象。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

實驗過程中數(shù)據(jù)采樣間隔為300 s，即采集的每一個數(shù)據(jù)為300 s內(nèi)的平均值，待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后取8組采樣的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 實驗過程原理及結(jié)果分析

本研究在充分參考前人總結(jié)的經(jīng)驗，采用通過毛皮的熱流密度q及毛皮傳熱系數(shù)K這兩項指標(biāo)來表示風(fēng)力和溫度這兩個因素對毛皮熱工性能的影響程度。在此基礎(chǔ)上，研究溫度對毛皮熱工性能影響時引入導(dǎo)熱系數(shù)λ這一熱物性基本參數(shù)指標(biāo)對實驗數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，以求達(dá)到更合理地評價飛鼠毛皮的熱工性能。

3.1 風(fēng)力對飛鼠毛皮熱工性能的影響

在探究風(fēng)力對飛鼠毛皮熱工性能影響的研究中，未開啟制冷設(shè)備，溫度為室溫(20±0.9)℃，恒溫水浴溫度設(shè)定為38℃，風(fēng)速由手持風(fēng)速儀測定并由風(fēng)速變頻器實現(xiàn)0～100%內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。風(fēng)速范圍為0～4.82 m/s(即vmax=4.82 m/s)，風(fēng)速采用變頻器的調(diào)節(jié)量來表示。當(dāng)流體流過與之接觸的固體壁面時將會發(fā)生熱量傳遞，該現(xiàn)象稱之為對流換熱，對流換熱量的計算公式如(1)所示：

q=hΔt

(1)

式中，q：熱流密度，W/m2；h：為對流系數(shù)，W/(m2·℃)；Δt：溫差，℃。

在風(fēng)力作用下，快速流動的空氣與動物毛皮之間將發(fā)生對流換熱。因此風(fēng)力作用是影響動物與外界發(fā)生熱量交換的重要因素。風(fēng)速對毛皮熱流密度的影響如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)風(fēng)速為全風(fēng)速的0%，即為無風(fēng)狀態(tài)，毛皮與空氣將以自然對流換熱的形式進(jìn)行熱量交換，由于自然對流的驅(qū)動力較小換熱量也小，因此熱流密度比有風(fēng)力作用時要小，總樣本熱流密度平均值僅有34.14 W/m2。當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，即風(fēng)力作用越來越強(qiáng)時，熱流密度隨之增大，范圍在36.74～70.71 W/m2間。風(fēng)速較低時，此時自然對流和強(qiáng)迫對流同時發(fā)生，但此時自然對流現(xiàn)象占主導(dǎo)地位。但當(dāng)風(fēng)速逐漸增加到一定值后，此時強(qiáng)迫對流換熱量超過自然對流換熱量成為換熱的主要途徑。

圖2 風(fēng)速對毛皮熱流密度的影響Fig.2 The effect on heat flux density of fur with wind speed

僅采用熱流密度這一物性參數(shù)指標(biāo)來評價毛皮的熱工性能還不足以全面地反映毛皮的保溫性能。根據(jù)能量守恒原理，通過毛皮的傳熱量和毛皮與周圍空氣之間的對流換熱量相等，即如公式(2)所示。

q=hΔt=KΔt

(2)

式中，K：毛皮傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

為了更加全面地反映毛皮的保溫性能，研究風(fēng)速對毛皮傳熱系數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可知，毛皮的傳熱系數(shù)在4.96～6.27 W/m2之間。毛皮傳熱系數(shù)隨風(fēng)速的增加而變大。產(chǎn)生之一現(xiàn)象的原因是隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力作用越來越強(qiáng)，毛皮在風(fēng)力的作用下由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榱藬_動狀態(tài)，其毛皮原有結(jié)構(gòu)在風(fēng)力的作用下被改變后使得毛皮的保溫性能變差。

圖3 風(fēng)速對毛皮傳熱系數(shù)的影響Fig.3 The effect on heat conductivity of fur with wind speed

3.2 溫度對飛鼠毛皮熱工性能的影響

溫度是影響生物生存的又一重要環(huán)境因子。恒溫動物在環(huán)境溫度隨季節(jié)、地理位置等條件發(fā)生急劇變化時要保持體溫的相對恒定，溫度這一因素對其生存、分布的影響顯得尤為重要。熱量傳遞的動力則是物體內(nèi)部或者物體之間存在溫度差。研究溫度對飛鼠毛皮熱工性能影響的工作中，開啟制冷設(shè)備，溫度設(shè)定為5檔：-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃，恒溫水浴溫度設(shè)定為38℃，風(fēng)速設(shè)定為1 m/s。溫度對飛鼠毛皮傳熱系數(shù)影響的實驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，外部溫度變化時，樣本的傳熱系數(shù)在5.25～5.76 W/m2范圍內(nèi)波動。在上一小節(jié)研究風(fēng)力作用對飛鼠毛皮傳熱系數(shù)影響中，飛鼠毛皮傳熱系數(shù)在風(fēng)速1 m/s時的范圍為5.28～5.36 W/m2，二者可以較好地吻合。當(dāng)物體的幾何參數(shù)已知時，其傳熱系數(shù)就已經(jīng)確定，和溫度并無直接關(guān)系。傳熱系數(shù)的變動是由于實驗樣本的差異、實驗誤差和實驗中風(fēng)力作用下毛皮結(jié)構(gòu)被改變所造成的。

圖4 溫度對毛皮傳熱系數(shù)的影響Fig.4 The effect on heat conductivity of fur with temperature

溫度對毛皮傳熱系數(shù)的影響如圖5所示。通過毛皮的熱流密度q為毛皮傳熱系數(shù)與毛皮內(nèi)外表面溫度差的乘積。由圖可以看出熱流密度隨著實驗溫度的降低而增大，由公式(2)可知這是由于實驗過程中提供熱量的超級恒溫水浴溫度設(shè)置為恒定溫度，即熱源溫度一定，毛皮的傳熱系數(shù)又為定值，當(dāng)環(huán)境溫度不斷下降時溫差增大所致。

圖5 溫度對毛皮熱流密度的影響Fig.5 The effect on heat flux density of fur with temperature

4 實驗結(jié)果及毛皮保溫機(jī)理討論

在引入熱流密度、毛皮傳熱系數(shù)這兩項指標(biāo)后，對毛皮的保溫性能進(jìn)行評價時仍存在不足之處。例如，對于不同物種或同一物種在不同季節(jié)的毛皮而言，雖然可以測出熱流密度、傳熱系數(shù)這兩項指標(biāo)，但測出的數(shù)據(jù)都是基于測試樣本自身特定的厚度這一前提條件，不同物種毛皮的厚度一般是不同的，有時相差甚大。僅采用熱流密度、傳熱系數(shù)這兩項指標(biāo)無法排除毛皮厚度的干擾。鄭雷等人對黃鼬東北亞種毛皮的保溫性能進(jìn)行了研究[5]，為說明僅采用熱流密度、毛皮傳熱系數(shù)這兩個指標(biāo)的局限性，在此引用文獻(xiàn)[5]研究中有關(guān)冬季黃鼬毛皮性能的部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果與本研究中進(jìn)行比較。兩物種熱流密度和傳熱系數(shù)平均值的對比分別如圖6和圖7所示。

熱流密度越大，表示通過毛皮的熱量越多，則保溫效果越不理想。通過對兩物種毛皮的熱流密度隨環(huán)境溫度變化的對比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，森林型黃鼬及丘陵型黃鼬的毛皮熱流密度均大于通過飛鼠毛皮的熱流密度，這說明飛鼠毛皮的保溫性能要優(yōu)于黃鼬的毛皮保溫性能。材料的傳熱系數(shù)越小，則表示材料的保溫性能越強(qiáng)。兩物種的傳熱系數(shù)隨環(huán)境溫度變化的實驗數(shù)據(jù)對比如圖7所示。由圖7可知飛鼠毛皮的傳熱系數(shù)要大于森林型黃鼬及丘陵型黃鼬的毛皮傳熱系數(shù)，這說明黃鼬的毛皮保溫性能要優(yōu)于飛鼠毛皮的保溫性能。

圖6 溫度對兩物種毛皮熱流密度的影響Fig.6 The effect on heat flux density of two species fur with temperature

圖7 溫度對兩物種毛皮傳熱系數(shù)的影響Fig.7 The effect on heat conductivity of two species fur with temperature

由對兩物種熱流密度及傳熱系數(shù)的對比分析，得出了兩個完全相悖的結(jié)論。因此在采用熱流密度和傳熱系數(shù)這兩項指標(biāo)后還不足以客觀地評價毛皮的性能，為此，本研究中進(jìn)一步引入導(dǎo)熱系數(shù)這一參數(shù)以期達(dá)到更加全面客觀地評價毛皮熱工性能的目的。作為物質(zhì)基本熱物性參數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體熱傳導(dǎo)能力大小的物理量，符號用λ表示，單位為W/(m·℃)。其物理意義是指物體在單位厚度具有單位溫度差值情況時，物體在單位面積內(nèi)每單位時間傳遞的量。兩物種不同溫度下毛皮導(dǎo)熱系數(shù)平均值對比圖如圖8所示。由圖8可知，通過對[5]研究結(jié)果中有關(guān)冬季黃鼬毛皮性能的部分?jǐn)?shù)據(jù)整理后得到森林型黃鼬毛皮在不同實驗溫度下導(dǎo)熱系數(shù)在區(qū)間(0.949，0.953)W/(m·℃)，丘陵型黃鼬毛皮在不同實驗溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的范圍為(0.951，0.957)W/(m·℃)，而本研究飛鼠毛皮在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)在區(qū)間(0.053，0.058)W/(m·℃)內(nèi)。由導(dǎo)熱系數(shù)可見飛鼠毛皮的導(dǎo)熱系數(shù)要比黃鼬毛皮的導(dǎo)熱系數(shù)小一倍，因此飛鼠毛皮保溫性能更好。

綜合考慮對流系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及熱流密度這3個毛皮的基本熱物性指標(biāo)，可以得出飛鼠毛皮保溫效果優(yōu)于黃鼬。黃鼬毛皮的傳熱系數(shù)之所以比飛鼠毛皮的傳熱系數(shù)小，是因為黃鼬毛皮的厚度在25 mm左右，而飛鼠的毛皮厚度僅在10 mm左右，黃鼬毛皮保溫性能在這一指標(biāo)上優(yōu)于飛鼠毛皮是以犧牲數(shù)量為前提的。優(yōu)越保溫性能的毛皮對于飛鼠在氣候條件惡劣的冬季安全越冬至關(guān)重要。

圖8 兩物種不同溫度下毛皮導(dǎo)熱系數(shù)Fig.8 The heat conductivity of two species fur with different temperature

5 結(jié)論

本文通過動物毛皮熱物性參數(shù)測試裝置，對采集于大興安嶺北部地區(qū)越冬飛鼠毛皮的熱工性能進(jìn)行了實驗研究。在充分參考借鑒前人關(guān)于動物毛皮研究成果和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，采用了熱流密度、毛皮傳熱系數(shù)這兩項評價指標(biāo)。在研究過程中發(fā)現(xiàn)了僅采用這兩項指標(biāo)的局限性，并舉例分析了問題的所在。進(jìn)一步引入導(dǎo)熱系數(shù)這一基本熱物性參數(shù)作為評價動物毛皮保溫性能的又一項指標(biāo)。通過實驗研究了風(fēng)力及溫度這個因子對飛鼠毛皮熱工性能的影響。實驗測得飛鼠毛皮的導(dǎo)熱系數(shù)的范圍在區(qū)間(0.053，0.058)W/(m·℃)內(nèi)。證明了飛鼠毛皮是一種性能良好的保溫材料。其性能甚至比一些建筑常用的保溫材料還要優(yōu)越。保溫性能優(yōu)越的毛皮對于飛鼠在氣候條件惡劣的冬季安全越冬至關(guān)重要。