高溫防護服溫度分布解析研究

李咸寧 于桐 李姍然

摘 要：本文研究多層織物材料高溫作業(yè)專用服裝的防護性能問題。通過考慮不同織物材料的傳熱特性，建立求解多層織物材料在傳熱過程中溫度分布的解析模型。

通過將人體模型簡化，在已知各織物材料厚度的情況下，根據(jù)各材料的熱學參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)，建立熱傳遞偏微分方程模型。最后將所求得的初始狀態(tài)作為熱傳遞模型的迭代初值，求解多層織物材料的溫度分布隨時間的變化情況，以及皮膚外側(cè)溫度隨時間的變化情況。

關(guān)鍵詞：高溫隔熱服 ;熱傳遞;溫度分布

引言

在高溫環(huán)境下工作時，人們需要穿著專用服裝以避免灼傷。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隙，將此空隙記為IV層?？紤]到高溫作業(yè)服需要在較高的環(huán)境溫度下，在一定的時間內(nèi)保持其內(nèi)部溫度處于較低的水平，從而為作業(yè)人員提供防護，所以其多層材料的溫度分布始終隨時間變化，直到高溫作業(yè)結(jié)束或達到新的熱平衡。

1. 高溫作業(yè)服熱傳遞模型

考慮到假人模型的復(fù)雜性，以及局部熱蓄能過高而導致的假人皮膚外側(cè)溫度不均勻，因而將假人模型與高溫作業(yè)服分別簡化為圓柱體和包裹著圓柱的環(huán)形柱體。

由于高溫作業(yè)服不同位置處的溫度始終隨時間變化，因此該問題屬于非穩(wěn)態(tài)熱傳導問題。為了獲得I層到IV層的溫度分布，引入由傅里葉定律推導出的三維非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程，見公式：

針對高溫作業(yè)服的具體設(shè)計，根據(jù)生產(chǎn)生活的實際情況，本文假設(shè)服裝同一厚度處溫度的分布與形狀無關(guān)，由此可將三維立體的熱傳遞簡化為一維熱傳遞模型，又由于高溫作業(yè)服內(nèi)部無熱源，故上式可簡化為無內(nèi)源且僅沿 軸方向熱傳遞溫度變化的非穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：

在I層至假人皮膚表面層之間，不同的材料區(qū)域分別滿足其對應(yīng)的導熱微分方程，但由于導熱系數(shù)的階躍式變化，在求解時應(yīng)采取分區(qū)域的方式。在假定相鄰兩種材料接觸良好的情況下，用界面連續(xù)條件使不同材料上的溫度分布在分界面處可彼此相連，即滿足分界面上溫度與熱流量密度相等，以使該高溫工作服每時刻的溫度分布均為一條平滑連續(xù)的曲線。

2. 各層材料初始參數(shù)反求模型

在判斷出導熱物體的邊界條件后，還要確定不同接觸表面的初始時刻的溫度分布條件。該模型在一定的精度條件下，對高溫工作服與環(huán)境溫度的接觸表面溫度進行遍歷，并將初始時刻的溫度分布簡化為一維穩(wěn)態(tài)導熱問題，即每一單層均符合溫度沿 軸方向成線性分布，可解得每一層的溫度分布如公式：

在高溫防護服最內(nèi)側(cè)界面初始溫度已知的情況下，設(shè)定防護服最外側(cè)界面初溫為某一遍歷值，在不考慮能量損耗的情況下，利用界面連續(xù)條件對上述公式求解可得各層界面初始溫度與此時熱流密度：

為各材料分界面溫度。在遍歷求出各織物初始溫度后，可根據(jù)此初始溫度和邊界條件求出假人皮膚外表面的溫度分布，分別將得出的假人皮膚外表面溫度與題中已知的假人溫度分布做誤差分析，選取二者誤差最小的初始溫度，作為模型的溫度初值。

3 .模型求解

求解高溫作業(yè)防護服裝每一時刻的溫度分布首先需要反求初始溫度分布，帶入高溫防護服最內(nèi)層界面初始溫度37℃，通過遍歷最外層界面溫度，利用上節(jié)中推導的公式，得到防護服初態(tài)溫度分布曲線如圖2所示。

其中，多層織物材料最外層界面初始溫度為 ，I、II層界面初始溫度為 ，II、III層界面初始溫度為 ，III、IV層界面初始溫度為 ，最內(nèi)側(cè)界面初始溫度為已知條件 。

針對反求模型的求解結(jié)果，可以了解到在實驗記錄開始時，外界溫度大致在40℃左右;針對熱傳遞模型的求解過程，可以了解到，在該次實驗中高溫作業(yè)防護服的多層織物材料首先經(jīng)歷大約27分鐘的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，之后達到熱穩(wěn)態(tài)。

結(jié)論：

本文針對兩個問題分別建立了基于傳熱學的高溫作業(yè)服熱傳遞模型以及基于遍歷法的反求實驗初始狀態(tài)解析模型。其中求解溫度分布的解析模型，將人體近似看成圓柱形，既使工程問題得到合理簡化，同時也考慮了人體尺寸對熱傳導的影響。

參考文獻：

[1]張昭華.衣下空氣層厚度對著裝人體熱傳遞的影響[J].紡織學報，2010，31（12）

[2]潘斌.熱防護服裝熱傳遞數(shù)學模型及參數(shù)決定反問題[D].