关于高温作业专用服装的研究

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　　摘   要：本文研究高温作业专用服装选用不同的材料的防热性，主要是在对已有的数据深入分析的基础上，通过“高温作业专用服装—空气层—皮肤外侧”模型系统完整地阐述了热传递的过程中专用服装材料各个位置随时间变化的温度分布，借助有限差分法、微分等建立数学模型，通过Matlab软件求解，最后对模型进行误差分析和检验，为专用服装的设计提供实验和理论依据。
　　关键词：热传导方程  有限差分法  Matlab
　　中图分类号：TP419                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0093-02
　　1  问题分析
　　根据假人皮肤外侧温度数据，用Matlab拟合出温度随时间变化的曲线，建立热传导模型，并列出热传导方程。根据热损和各层间温度的关系，得出四层间的温度数值，将方程离散化，借助差分公式求得时间间隔为1s的各层织物材料各位置的温度，利用求得温度分布数据和已知数据建立完整的“高温作业专用服装—空气层—皮肤外侧”系统模型。
　　2  基本假设
　　⑴空气层的厚度很小，且空气层相对密闭，不易实现空气对流，热对流的影响对其相对较小，因而忽略热对流对数学模型的影响;
　　⑵在织物材料、空隙和外侧皮肤温度变化的整个过程中，忽略热辐射对模型的影响;
　　⑶假设三层织物材料和空气层为四层平壁模型;
　　⑷假定层与层之间接触良好，没有引入附加热阻，故层间分界面不会发生温度变化，即层与层之间的接触表面具有相同温度;
　　⑸不考虑湿传递，即忽略水汽、汗液对温度的影响;
　　⑹构成专用服装的织物材料具有各向同性;
　　⑺在热传递过程中，织物材料的结构即性质几乎不变。
　　3  模型准备
　　高温作业专用服装是由三层织物材料组成，整个系统包括“高温作业专用服装—空气层—假人皮肤外侧”，基于前文所作假设，本模型的建立只考虑存在热传导。
　　3.1 热传导方程
　　对上述热传导模型建立热传导方程，热传导方程（抛物方程）的表达式如下：
　　 （1）
　　织物材料的边界条件：
　　u（0，t）=u（d，t）=0                                                         （2）
　　織物材料初始条件：
　　u（x，0）=f（x）                                                                （3）
　　3.2 模型建立
　　一维稳态导热分析解法中的“一维”是指导热物体的温度仅在一个坐标方向坐标变化[1]。
　　（1）单层平壁。
　　已知对于一个单层平壁模型，厚度为d，没有内热源的单层平壁，其两个表面分别维持在均匀而恒定的温度t1，t2。则该导热问题的数学描写为
　　 （4）
　　x=0，t=t1;x=d，t=t2                                                      （5）
　　由于d、t1、t2都是定值，经过求解得温度呈线性分布，即温度分布曲线的斜率是常量：
　　 （6）
　　（2）多层平壁。
　　多层壁是由几层不同材料叠在一起组合成的复合壁。以四层的多层壁作为讨论对象，但此方法适用于任意层的多层壁。已知各层平壁的厚度为d1、d2、d3、d4及各层的导热系数为λ1、λ2、λ3、λ4，并且已知多层平壁模型的两表面的温度为t1和t5。
　　本问题采用上面单层壁的求解方法，需暂时设定层壁间的温度t2、t3、t4，对四层平壁分别求解，得出
　　（7）
　　因为通过层壁时温度没有跳跃，即得出层间温度t2、t3、t4。利用多层平壁的导热量计算式和串联热阻叠加原则，得热流密度的计算公式为
　　（8）
　　则易知层间分界面上的未知温度t2、t3、t4。
　　由已知数据算得5400s时各层分界面的温度t1=75.00、t2=74.30、t3=72.75、t4=65.20、t5=48.08。由于系统达到稳态时温度随着位置改变，所以借助有限值差分法，以1s为时间间隔，得到各层材料在达到稳态前各位置的温度分布情况。
　　将计算所得的各层温度分布数据进行绘图得，从第I、II、III、IV层的温度传递速度依次降低;从最外侧材料到最内侧材料，材料两侧边界的温差依次增大，说明越靠近内测的材料，防热效果越好。
　　3.3 模型检验
　　（1）将通过一系列运算得到的数据进行转化成图像，得到如图所示蓝色曲线;而红色曲线为数据拟合的曲线。由图1可得，以本文建立的“高温作业-空气层-假人皮肤外侧”系统，通过微分、有限差分等方法算得的数据与试验测得的数据具有极高的相似性。
　　（2）在四层不同材料的温度分布中取点，拟合数据，得高温作业专用服装总的温度分布图（如图2）。根据实际规律可得，越靠近外侧环境的织物材料层温度传导越快，而越靠近假人热传导越慢，由模型所得数据绘制的曲线符合此规律。
　　4  模型评价、推广
　　4.1 模型评价
　　⑴本文建立了多层高温作业专用服装的模型，分别对不同的织物材料的热传导定律进行分析，并将空气层考虑在内，相较于单层模型更具有说服力和真实性。
　　⑵运用了大量试验数据，节省了计算时间，有利于模型的简化求解。
　　4.2 模型推广
　　本模型可用于消防隔热服、消防避火服等高温作业专用服装的研究，以反映综合热防护性能的TPP（热辐射和热对流混合作用防护性能测试）法和Thermoman（热力人体模型）法评价专用服装对热的防护效果，从而通过改变专用服装的织物材料厚度、种类以及人体皮肤外侧与服装之间空气层的厚度，改善高温作业专用服装的性能，并满足服装设计安全性与舒适性要求。
　　参考文献
　　[1] 马强.关于热传导问题的研究[J].电子测试，2017（18）：87-104.
　　[2] 徐定华.纺织材料热湿传递数学模型及设计反问题[M].北京：科学出版社，2014.
　　[3] 俞昌铭.热传导及其数值分析[M].北京：清华大学出版社，1981.
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