高溫隔熱防護服溫度分布研究

周可凡

摘 ?要：目前，消防安全越來越引起人們的重視，而高溫防護服是消防隊員或高溫環(huán)境作業(yè)人員常用的重要裝備品之一。本文結(jié)合有限元差分分析和遺傳算法，建立了研究模型，研究了隔熱防護服在高溫環(huán)境下，各材料層以及空氣間隙層邊界與間隙間的溫度分布情況。對制造出的隔熱效果好、人員穿戴舒適度高且經(jīng)濟的隔熱防護服有重大意義。

關(guān)鍵詞：隔熱防護服;溫度分布;有限元差分分析;遺傳算法

引言

各種高溫作業(yè)導(dǎo)致的職業(yè)健康危害屢見不鮮，是目前急需解決的職業(yè)健康問題。在高溫異常作業(yè)環(huán)境下，采取有效的個體防護是預(yù)防作業(yè)人員受到身體損害的重要手段，防護效果的好壞直接關(guān)乎作業(yè)人員的工作效率和生命安全。研究高溫防護服的各層溫度分布，可以為后續(xù)的防護服各層最優(yōu)厚度研究提供重要幫助，具有重要意義。為此本文提出了一種結(jié)合了有限元差分分析和遺傳算法的，針對防護服各層邊界溫度和各層之間溫度分布情況的研究方法。

1 建立防護服-空氣間隙-人體表皮模型

對于一次模擬實驗，我們令外界環(huán)境溫度為75度，初始假人體表皮溫度為37度。記錄從1到5400秒的，90分鐘內(nèi)的5400組假人表面溫度值。選取外層、隔熱層、舒適層三層結(jié)構(gòu)的隔熱防護服為例，將上述三層分別定義為I層、II層和III層，將舒適層與人體之間的空氣定義為IV層。各層材料熱力學(xué)參數(shù)如下表所示：

可將外界環(huán)境對于穿著防護服的人體傳熱看做一個一維非穩(wěn)態(tài)的傳熱問題，繪制隔熱服-空氣間隙-人體表皮結(jié)構(gòu)示意圖如下所示，其中I層、II層和III層為不同的防護服材料層;IV層為防護服與人體之間的空氣間隙層：

2 計算瞬態(tài)時各層邊界溫度

利用有限元分析軟件ANSYS搭構(gòu)與題設(shè)條件相同的紡織物模型，ANSYS中熱分析程序能夠?qū)?dǎo)熱、熱對流和熱輻射這三種熱傳遞類型進行分析[1]。我們進行步長為5400的熱分析，并得到每秒的各層的最低溫度和最高溫度。根據(jù)熱量沿著溫差方向傳遞的規(guī)律，可以認為最低溫度為內(nèi)層邊界溫度，最高溫度為外層邊界溫度。計算得到各個邊界溫度如下表所示：

利用MATLAB結(jié)合遺傳算法繪制出各層中的溫度變化情況，將溫度分布情況模擬成一個生物進化過程，再通過遺傳、交叉、突變、自然選擇等模擬生物遺傳的操作產(chǎn)生下一代的解，再對得到的解進行一次同樣的操作，這樣逐步迭代逐步淘汰適應(yīng)度函數(shù)值低的解，增加適應(yīng)度函數(shù)高的解。像這樣進行N次迭代后就會計算出適應(yīng)度函數(shù)值比較高的個體[2]。

3 確定隔熱防護服有效隔熱時間

由當(dāng)前的研究成果，我們得知，生物組織溫度在高于44℃時，便會發(fā)生一定程度的熱損傷[3]。根據(jù)前面求得的防護服溫度分布情況可繪制出人體皮膚實時溫度圖如下圖1所示。

畫出圖中人體皮膚溫度剛剛到達44℃時的點，如圖該點的橫坐標(biāo)為1026s。則1026s之后人體便開始受到熱損害，我們認為此后本防護服不再發(fā)揮隔熱防護效果。由此我們得出本例防護服的有效隔熱時間為1026s。

4 結(jié)論

本文提供了用于一種隔熱防護服溫度分布分析的方法，為后續(xù)的防護服各層的材料選擇和厚度尋優(yōu)等問題的研究提供了必要的數(shù)據(jù)支持，在消防安全工程方面具有重要意義。本方法創(chuàng)新性地將有限元差分分析法和遺傳算法相結(jié)合用于研究隔熱防護服的溫度分布情況，利用有限元差分分析解決了對流換熱面的溫度確定問題，獲得了各層材料的邊界溫度。又根據(jù)溫度分布繪制出人體皮膚實時溫度圖，并由此確定防護服的有效隔熱時間。

參考文獻

[1] ?藍宇;張連杰.大型有限元分析軟件ANSYS[J].應(yīng)用科技，2000：2-15

[2] ?席裕庚，柴天佑，惲為民.遺傳算法綜述[J].控制理論與應(yīng)用，1996：17-33

[3] ?朱曉明，胡志剛，劉競達.皮膚表面熱燒傷溫度場的數(shù)值模擬[J].中國組織工程研究，2015：25-27