基于集中参数法的高温防护服最优温度研究

刘康

基于集中参数法的高温防护服最优温度研究

刘康

（重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074）

在高温环境中，热防护服作为保护作业者的一道屏障，如何在节约材料的前提下最大化提高隔热性能显得尤为重要。基于高温环境下防护服内的非稳态传热，建立了一维、常物性、无内热源、非稳态的导热微分方程组，通过集中参数法的定性分析，对数据进行了仿真拟合，进而确定了最外层的边界条件，由显式差分方程求解得出最外层的温度分布，依次逐层递推，综合完成了对热防护服温度场的数学描述，得到了热防护服各层的温度分布，用MATLAB求解绘制了温度分布的三维可视化界面。

集中参数法；显示差分；导热微分方程；温度分布

服装作为人与环境的中介物，在人体皮肤之外有着重要作用。在消防、金属炼钢等行业中，工人常处于高温、高辐射的环境，对身体伤害不可避免，会造成中暑等生理机能的突变，进而影响工作效率。热防护服作为保护人体的一道屏障，如何在保证作业人安全的情况下得到最优温度分布、节约材料显得尤为重要。

1 重叠建模

为了计算热防护服中的温度分布，首先要明确热量在多层材料中的分布情况，传热可分为稳态过程和非稳态过程，温度随时间不断变化并最终趋于稳定，因此，多层热量传导可以用时间来划分为稳态与非稳态阶段，在给定的条件下，测量得到皮肤外侧温度随时间变化的数据，通过最外层温度随时间的变化，逐次迭代推算得出每个边界层温度随时间的变化，之后设定一定步长将材料层细分为很多层进行显示差分计算，进而得到热防护服内部温度的分布曲线。

三维、非稳态、具有内热源的导热微分方程为：

等式左边是微元体热力学能的增量，右边前三项是通过空间坐标导入导出微元体的净热量，最后一项是内热源的发热量。

本文将问题简化为一维壁面的非稳态导热方程：

式（1）中：i为热防护服第层的温度；i，i，i为热传导系数、密度和比热容。

因热防护服各层材料中的热流密度均相等，即：

综合上述分析，建立热防护服的温度分布方程组和单值性条件：

2 解决方案

2.1 集中参数法的应用

进一步简化求得皮肤外测温度与时间的关系函数：

拟合效果比对如图1所示，拟合率为99.87%，具有很高的吻合性。其他三层边界可依次类似求得边界温度的分布函数。

2.2 计算各防护服边界层稳态温度，确定边界条件

因防护层处于非稳态时各层的热流密度均为浮动值，无法进行边界层温度的定量分析，因此采用反推的方法，由皮肤外侧温度分布函数可知，在550 s之后温度进入动态平衡，即热传导的稳态阶段。

得出二、三、四层的热传导稳态温度，并通过第四层左右边界非稳态导热来确定时间，从而拟合出边界层二、三、四层的温度分布函数。

2.3 显示差分求解

求出第一层壁面的温度后，令=1，即可求得逐层壁面的温度，得到各层中的温度MATLAB三维仿真图，如图2所示。

（a）第一层温度分布

（b）第二层温度分布

3 结论

在针对高温防护服的温度分布研究中，通过傅里叶定律和热力学第一定律建立防护服温度分布的偏微分方程组，结合定解条件的影响得出防护服各层的最优温度分布，各个边界层的温度分布都在一定时间后趋于稳定状态，与本文所测皮肤外侧温度变化的趋势相同，即将边界层温度变化分为稳态与非稳态两个阶段的假设成立，同样对于最优温度的遍历搜索算法，将边界约束条件的两临界状态分别进行求解得出逐层的厚度范围，从而缩小遍历区间，大大优化了程序运行时间，进而进行准确选材，在实现高效抗热的基础上，极大程度地减少了防护服制造成本，具有很强的现实意义。

［1］章熙民，朱彤.传热学［M］.6版.北京：高等教育出版社，2010.

［2］RICHTMYER R D，MORTON K W.Difference methods for initial-value problems［M］.2nd ed.New York：Interscience Pub，2017.

［3］TORVI D A，ENG P，THRELFALL T G.Heat transfer model of flame resistant fabrics during cooling after exposure to fire［J］.Fire Technology，2008，42（1）：27-48.

TS941.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.011

2095－6835（2019）16－0029－02

刘康（1996—），男，陕西西安人，本科，研究方向为围护结构传热与建筑节能。

〔编辑：张思楠〕