高温防护服设计
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发布者：lunwenchina
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时间：2020年3月12日 16:32
仲雪涵
（郑州大学 河南省 郑州市 450001 ）
摘 要：本文所讨论的高温防护服具有三层结构。令假人穿上防护服，并模拟出高温环境，测定假人体表的温度是一种有效的检验方法。在分析温度在空间变化时根据傅里叶定律和能量守恒定律，得到热传导方程。由给定外界温度及衣料情况，将其转化为初始条件与边界条件，建立偏微分方程。将四层防护服分别单独考虑，由泰勒展开式推导偏微分方程，将求解区域划分网格，采用 Crack-Nicholon 格式的有限差分法对问题进行分析并对织物层和空气层离散化，得到其离散方程格式。经求解得到温度随防护服纵向深度和时间变化的分布。
关键词：高温防护服；热传导；有限差分法
引言
随着科技的发展和实际生活场景的需要，能够在高温条件下保护人体的防护服越来越受到重视，除了消防员在火灾中需要穿戴防护设备，某些冶金行业人才也会需要高温防护服。对于高温防护服的设计与研发，欧美等发达国家起步较早，设计了较为先进完全的防护设备和检验装置。
1材料与方法
1.1 防护服模型
根据相关文献 [1] ，已有的防护服主要为三层机构，分别为阻燃层、防水透气层、隔热舒适层，在防护服与皮肤之间还有一层空气，这三层加空隙分别用 I 、 II 、 III 、和 IV 来表示。外层为阻燃层，使用高性能防火材料制成；中间层为防水透湿层，防止高温水汽接触皮肤造成烫伤，并可以把人体新陈代谢产生的水汽挥发出去；第三层为隔热湿舒适层，具有良好的隔热性能。这三种织物相互影响各自发挥作用。
1.2 热传导分析
1.2.1 热传导
热传导依靠不同物体的相互接触或一个物体内部的温度差，在不产生相对运动的情况下，仅靠微观粒子的热运动传递热量。在固体中，热传导是主要的传热模式。描述热传导过程的基本定律是傅里叶定律：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该截面上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。
在长时间与热源接触的情况下，防护服各层的厚度和密度是影响热流强度的主要因素。在织物的密度不变的情况下，改变织物的厚度，可以改变织物的导热。而在防护服的三层结果中，放热传导性能主要取决于 III 层。
1.2.2 热辐射
热辐射的本质是电磁波辐射，是由物体内部微观粒子在能级跃迁时所激发出来的。辐射释放出的能量中以红外线对人体的热效应显著。只要是高于绝对零度的物体都会以波的形式传递能量和动量，其总效果称为辐射传热。
1.2.3 热对流
当热量依靠流体的流动来传递时，我们称其为热对流。在热对流中，流体从高温物体获得能量后，会将其从带向低温区域。在热防护服装的应用中，热对流的传递介质是各种高温气体和热蒸汽[2] 。防热对流性能与织物的重量、透气性、密度等相关，同时多层防护服比单层防热对流效果好。
1.3 模型建立
首先，因为辐射和热对流在防护服的织物中热传递作用小，可以忽略热辐射和热对流在织物中的影响，仅考虑其在与空气接触的边界对热传递造成的影响，由此可根据能量守恒和热传导方程得到热防护服的简化热传递模型 [3] 。
1.3.1 有限差分法
对于偏微分方程组的解法，可行性比较高的一种是有限差分法。对于热传导的定解问题，解析解往往是求不出来的，所以要采用数值解法。有限差分法 , 把问题的定义域划分成网格，然后将定解问题中的微商换成差商，将问题离散化为差分格式，用积分和来替换积分，于是原微分方程，和定解条件就近似地代之以代数方程组，进而求出数值解。
2结果
利用以上方法求解在防护服中的热传递模型，制作每层相应的温度分布变化图。
经求解得到温度随防护服纵向深度和时间变化的分布。在 90分钟时，各层织物右边界温度分别为 72.82oC\57.43oC 、 49.13oC 。
3讨论
将计算得到的皮肤表层温度随时间的分布 [4] 与附件中给出的数据进行比对，发现计算出的数据在初始阶段与题目给定数据较为吻合，整体上都呈现了先快速上升后趋于稳定的变化趋势。但利用本文模型求得的假人皮肤表层的温度在稳定阶段略低于真实值，最大误差为 0.3 ° C 在可接受范围内，误差的原因可能是没有考虑热辐射在防护服热传递中的影响。 ■
参考文献
[1] 周亮 . 消防服材料热舒适性与热防护性的研究 [D]. 东华大学 ,2012.
[2] 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(1):111-118.
[3] 潘斌 . 热防护服装热传递数学建模及参数决定反问题 [D]. 浙江理工大学 , 2017.
[4] 华涛 . 热防护服热防护性能的分析与探讨 [J]. 产业用纺织品 ,2002, 20(8):28-31.
