高温作业专用服装的设计与研究
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摘 要：针对高温作业专用服装的设计问题，根据所给数据建立了相应的偏微分方程数学模型，以第二层最小厚度为目标函数，在约束条件的基础上，建立了单目标优化模型。利用MATLAB遗传算法工具箱对该模型进行求解，得到了高温作业专用服装的最优厚度。
关键词：热传导;偏微分方程;目标优化;遗传算法
中图分类号：TS941.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）11-0082-02
Abstract： In order to solve the design problem of special clothing for high temperature operation， the corresponding mathematical model of partial differential equation is established according to the given data. taking the minimum thickness of the second layer as the objective function， the single objective optimization model is established on the basis of constraint conditions. The MATLAB genetic algorithm toolbox is used to solve the model， and the optimal thickness of the special clothing for high temperature operation is obtained.
Keywords： heat conduction; partial differential equation; objective optimization; genetic algorithm
引言
人們在高温环境中工作时，为了避免高温伤害，往往需要身着专用服装。高温作业专用服装常由三层织物构成，其隔热效果对于工作人员的工作效率和身体状况有着至关重要的影响。因此，在设计研发过程中，需要确定每层织物的厚度，使服装起到良好的隔热效果，同时实现成本最低化。
1 问题分析
现将身着高温作业服的假人置于高温环境中进行实验。假设实验中所使用的服装共有3层织物，即最外层为第1层，最内层为第3层。由于最内层与假人之间还有一层空气层，可将其记为第4层。假人体温为37℃，环境温度为65℃。已知服装织物的某些参数值和实验数据，现需确定第2层厚度，使得60分钟后假人皮肤表面温度低于47℃，超过44℃的时间低于5分钟。
2 模型的建立与求解
热量的传递方式通常有三种：热传导，热对流和热辐射。热传导是指相互接触的物体之间或物体内部的各部分之间因微粒的热运动而引发的热量传递现象。热对流是指流体各部分之间发生的冷热流体相互掺混的热量传递过程。热辐射则是指物体因受热而向外辐射能量的现象[1]。本题中，由于作业环境温度不高，故通过辐射所传递的能量与其他两种形式相比可以忽略。
第1层虽然与外界空气接触，但此处将环境简化为温度分布均匀的理想模型，因此不存在热对流，空气与第1层之间的热传递形式主要为热传导。假定织物不因高温而发生形变，层与层之间不出现空气间隙，则第2层与第3层、第3层与第4层之间的主要传热形式也均为热传导。第4层为空气层，其最大厚度不超过6.4mm[2-4]，由于空间狭小，难以发生对流，故其热传递形式也主要为热传导。
尽管高温作业专用服装的厚度越大，其防护性能越好，但是防护服一般有其厚度上的要求。过厚的作业服装不仅影响工作人员的穿着和运动，也会影响人体汗液的蒸发， 造成透气性差。另外，在防护服厚度达到一定的值后，再增加厚度对于隔热已没有显著影响。此时，隔热服的生产成本会大大增加。3 结束语
本文通过建立热量在高温作业专用服装中的传递模型，利用MATLAB求解，确定了织物的最小厚度，对于高温作业服装的设计与研发具有很强的指导意义。
参考文献：
[1]张靖周，常海萍.传热学[M].北京：科学出版社，2009：3-6，27-28.
[2]TORVI D A. Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux conditions[D]. Edmonton： University of Alberta，1997：1-134.
[3]朱方龙.服装的热防护功能[M].北京：中国纺织出版社，2015：98-131.
[4]卢琳珍，徐定华，徐映红.应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测[J].纺织学报，2018，39（01）：111-118+125.
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