高溫作業(yè)專(zhuān)用服裝傳熱問(wèn)題的研究

張夢(mèng)童 魏月超 羅建春 李俊松

摘 ? 要：本文針對(duì)高溫作業(yè)專(zhuān)用服裝設(shè)計(jì)的問(wèn)題進(jìn)行探討，運(yùn)用了傅里葉熱傳導(dǎo)定律、拉普拉斯變換方法和窮舉法，建立了半無(wú)限長(zhǎng)細(xì)桿導(dǎo)熱模型、基于MATLAB窮舉法的厚度優(yōu)化模型，得出了高溫工作服四層材料（包括人體與服裝間隙）在高溫環(huán)境下的溫度分布求法以及在給定的溫度環(huán)境和工作時(shí)間限制下，確定滿足實(shí)際科研目標(biāo)的一層及多層可變材料最優(yōu)厚度的有效方法，提出合理的厚度優(yōu)化建議。

關(guān)鍵詞：溫度分布 ?傅里葉熱傳導(dǎo)定律 ?拉普拉斯變換 ?半無(wú)限長(zhǎng)細(xì)竿導(dǎo)熱模型 ?厚度優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：O551.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（a）-0117-02

高溫作業(yè)專(zhuān)用服裝是指能夠保護(hù)在極端天氣（高溫或超高溫）和特殊場(chǎng)所的工作人員，減少職業(yè)傷害的服裝。人在高溫環(huán)境中工作，往往會(huì)導(dǎo)致中暑等機(jī)體功能失調(diào)的熱致疾患，所以高溫作業(yè)專(zhuān)用服裝的研究可謂非常迫切[1]。為了降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，需要利用數(shù)學(xué)模型來(lái)確定假人在高溫環(huán)境中穿著的服裝各層材料溫度變化情況，并解決不同要求下中間層可變層的最佳厚度等實(shí)際問(wèn)題。

高溫作業(yè)專(zhuān)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。這四層材料由外到內(nèi)的分布情況如圖1由左到右所示。

各層密度、比熱容、熱傳導(dǎo)率、厚度已知的前提下，可以由某一環(huán)境溫度下，一段時(shí)間內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的假人皮膚外側(cè)的溫度表，建立數(shù)學(xué)模型[2]，計(jì)算整件衣服的溫度分布。

由條件將以上方程組中時(shí)間t取t2和t1，建立了厚度優(yōu)化模型，利用MATLAB結(jié)合窮舉法，按照規(guī)定步長(zhǎng)調(diào)整第II層材料厚度，分別迭代計(jì)算出環(huán)境溫度下對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)溫度分布，篩選求出符合題目要求的II層厚度可取值的集合A和B。最后根據(jù)實(shí)際科研與生產(chǎn)需求，選擇交集中d2的最小值作為所求II層材料的最優(yōu)厚度[4]。

將上述數(shù)學(xué)模型稍作修改還可以計(jì)算某兩層材料（如第II層和IV層）可變時(shí)分別的最佳厚度，確保給定工作時(shí)間中的某一長(zhǎng)度時(shí)間[t1，t2]內(nèi)，假人皮膚外側(cè)溫度在維持在一定范圍內(nèi)。利用以上方程組，借助MATLAB，按照規(guī)定步長(zhǎng)調(diào)整第II層和IV層材料厚度，采用窮舉法可迭代求解出各自的集合，再取得最優(yōu)質(zhì)厚度。

參考文獻(xiàn)

[1] 李紅彥，孫成勛，朱寶余，等.夏季高溫環(huán)境戶外作業(yè)服的熱功能設(shè)計(jì)方法[J].西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2016（6）：146-151.

[2] 徐美.幾個(gè)典型的數(shù)學(xué)物理方程的物理解讀[J].物理通報(bào)，2017（6）：33-35，39.

[3] 潘斌.熱防護(hù)服裝熱傳遞數(shù)學(xué)建模及參數(shù)決定反問(wèn)題[D].浙江理工大學(xué)，2017.

[4] 石宏亮，崔建偉.高溫工作服面料隔熱性能研究[J].上海紡織科技，2001（4）：51-53.