低辐射热暴露下消防服热防护性能测评方法研究进展

邓 梦， 王云仪,3(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051; 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051; 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

低辐射热暴露下消防服热防护性能测评方法研究进展

邓 梦1,2， 王云仪1,2,3
(1. 东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051; 2. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051; 3. 同济大学 上海国际设计创新研究院， 上海 200092)

为全面准确地评价低辐射热暴露下消防服的热防护性能，分析了现阶段的实验室测评方法和数值模拟方法。基于消防服内传热机制的研究，阐述了消防服内干态传热模型和热湿耦合传递模型的研究现状，总结了热防护性能的影响因素；分析了现阶段低辐射热暴露下织物和服装热防护性能测评方法，分别从测试方法的差异因素和局限2个角度阐述不同实验方法及实验装置对热防护性能预测的影响；总结了目前数值模拟在消防服热湿传递机理研究方面的应用；最后指出在未来的研究中，应全面准确模拟真实的低辐射热暴露环境，提高消防服热防护性能测评的准确性。

低辐射； 消防服； 传热机制； 性能测评

消防服通过隔绝或减少人体和热灾害环境之间的热量传递，避免或减少皮肤烧伤，是降低生命威胁的重要屏障。火场环境复杂多样，Barker等[1]根据环境温度及辐射热流强度等对其进行了分类，分为常规环境、危险环境和紧急环境。热暴露类型是影响服装热防护性能的主要因素之一。已有大量研究利用织物热防护性能(简称TPP)、织物辐射热防护性能(简称RPP)测试评估紧急环境下织物的热防护性能。紧急环境的特点是热流强度高、热暴露时间短，通常在较大的火灾和爆炸中遇到[2]。调查研究表明，常规环境和危险环境水平的热辐射才是消防员面临的主要热危害[2]。常规环境和危险环境是属于低水平热辐射环境，热流密度为5～20 kW/m2[3]。通常，消防员在这种环境中持续作业数分钟，而且，皮肤烧伤大多发生在这种热暴露条件下[2]。

物理实验是消防服热防护性能测评的重要方法。在小规模织物测试中，已将短时闪火热暴露条件与长时间纯辐射热暴露条件区分开来，建立了ASTM F 1939—2015《测试阻燃服用织物在辐射热暴露条件下的辐射热阻》、ASTM F 2702—2015《评估阻燃服装材料的辐射热性能进行烧伤预测的标准试验方法》和ASTM F 2731—2011《测试消防服热传递及热蓄积性能》等一系列标准，用来测定较低辐射热暴露下消防服系统的热防护性能[4]。Hummel等[5]发现，相同辐射热流强度，使用RPP和SET测试平台测得的热防护性能不同，目前标准测试方法本身的局限性显著影响着实验结果。在全尺度假人测试层面，开发了辐射假人RadManTM，该装置热源能够提供5～21 kW/m2的低水平热辐射[6]。目前，低辐射热暴露下织物及服装的测试环境与真实条件存在差异性，测评装置及方法仍有待提高。本文对国内外相关文献进行综述，基于消防服传热模型，对比分析了目前测评方法的差异因素及局限，并总结了数值模拟在辐射热作用下热防护性能测评方面的应用。

1 消防服内传热模型

消防服内部热湿传递机制是进行服装热防护性能研究的基础。学者建立了“热源—织物—空气层—传感器/人体皮肤”系统的传热模型，并运用该模型探究消防服与周围环境的传热机制、预测人体皮肤烧伤以及研究模型参数化。目前消防服内热湿传递模型可分为干态传热模型和热湿耦合传递模型。

1.1 干态传热模型

1.1.1微分方程的建立

干态传热模型是指不考虑水分对热传递作用的模型。Torvi等[7]基于ASTM D 4108—1987《明火法测量服装材料热防护性能》标准下的TPP实验，运用有限元法建立了低热流冷却阶段中单层织物内的一维传热模型，如下式。

式中：CA为显热容，J/(m3·K)；T为织物温度，K；t为时间，s；x为垂直通过织物的距离，m；k为面料的导热系数，W/(m·K)；texp为热暴露时间，s。

Torvi等[7]发现织物热性质和边界条件的选择对织物温度和测试结果有重要影响。

Mell等[8]将单层织物的传热模型拓展至多层织物，建立了低辐射热暴露条件下，垂直方向放置的多层织物系统内的一维传热模型，以预测织物表面的温度和热流量，但是未考虑织物的透射率和反射率等光学性能。Onofrei等[9]分别建立了低辐射热暴露阶段和冷却阶段多层消防服内的一维热传递模型，分析了空气层厚度的影响。

Su等[10]基于双通量模型，改进了低辐射(8.5 kW/m2)热暴露下多层防火织物内的传热模型，该模型考虑了织物的自发射辐射。鉴于以上传热模型没有考虑织物热降解反应，Zhu等[11]建立了考虑材料高温热解的辐射条件下阻燃材料的一维热传递模型。另外，为了考虑人体三维特征对热防护性能的影响，Zhu等[12]将人体躯干近似为圆柱体，建立了织物的一维径向传热模型。

1.1.2边界条件

Torvi等[7]证明边界条件是影响织物传热模型的重要因素。织物热传递方程的内外边界条件分别是与皮肤和暴露热源的边界换热，当t≥0，最外层受热面的边界条件见下式[13]。

式中：λm为材料的导热系数；T为材料温度；t为时间；qrad和qconv分别为热源与多层织物最外层表面的辐射及对流换热量。

能量守恒方程的外边界条件依热源的类型不同而有所区别，若为纯入射辐射热，则不必考虑对流换热系数。另外，不同方向放置织物，将影响织物热传递方程的内边界条件，因为织物内表面与皮肤间空气层的对流传热与空气层所处的方向有一定的联系[14]。

1.2 热湿耦合传递模型

为研究低辐射热暴露下多层织物系统的热防护性能，Prasad等[15]建立了一维瞬态热湿传递模型，模型考虑了热暴露和冷却阶段水分的扩散和吸收，未考虑水分的毛细作用，研究发现消防服内水分的含量和分布显著影响消防服内温度分布。黄冬梅[16]基于连续介质模型和生物热方程提出了低辐射热暴露下多层织物系统内“织物—空气层—皮肤层”的热湿耦合传递模型，考虑了水分相变伴随的能量变化。Fu等[17]在前期研究的基础上，优化了低水平辐射条件下有空气层的消防服内一维热湿传递数值模型，考虑了水分对辐射热传递的影响，但未考虑水分的扩散和毛细作用。apka等[18]基于多孔介质理论，分析了热辐射暴露下多层织物系统内的传热传质，建立了织物的热湿传递模型，模型考虑了水分的扩散和相变。

1.3 热防护性能影响因素

通过对消防服内热湿传递模型研究的总结，可看出模型研究从单层织物传热向多层织物热湿耦合模型发展，在模型发展过程中，所考虑的因素更加全面，热防护性能预测更加精确。表1示出消防服传热模型优缺点以及热防护性能影响因素。

表1 消防服传热模型分析Tab.1 Analysis of heat transfer models in firefighter clothing

综上，消防服热防护性能受很多因素影响，包括：1)热暴露环境，如热源类型和辐射强度，影响织物传热方程的外边界条件；2)织物性质，如热物理和光学性质，决定传热模型的参数以及织物内水分含量与分布等；3)衣下空气层，如空气层的厚度与位置等。

2 测评方法对比分析

物理实验是目前测评和优化热防护织物或服装性能的重要手段。物理实验获得数值模型的参数和边界条件，是建立数值模型的基础和主要验证方法。其中，实验测试方法的不同会对测评结果产生影响。

2.1 小规模织物测试

2.1.1测试方法

为准确评价低辐射热暴露下消防服的热防护性能，在织物层面的测试中，已经单独将纯热辐射条件与热对流和热辐射组合的闪火热暴露条件进行区别，并形成了一些测试标准和方法[4]。这些测试方法使用较低的辐射热强度和较长的暴露时间，如ASTM F 1939—2015和ASTM F 2702—2015中提供(21±2)kW/m2辐射热流量，ASTM F 2731—2011中提供(8.5±0.5)kW/m2辐射热流量。

分析表1中数据得出，结合织物热防护性能的影响因素，将目前辐射热作用下织物热防护服性能的标准测试方法总结如表2所示。

除了以上提到的标准测试方法，还有一些非标准测试方法。如朱方龙等[13]将人体躯干简化为圆柱体，搭建热辐射作用下织物热防护性能测试装置，该装置考虑了织物受热收缩造成的影响。Prasad等[15]搭建了低辐射热环境中人体出汗与辐射并存的模拟装置，该装置使用电加热喷雾器产生液滴，模拟人体出汗，考虑水分对传热的影响。实验证明了低辐射暴露下织物吸收液体转移的冷却作用以及冷凝的加热作用，对织物热湿传递具有显著影响，但是，空气层呈水平方向，与实际的垂直方向不符，导致织物与人体皮肤间空气层内对流传热的差异。

表2 热辐射作用下织物防护性能测试标准Tab.2 Standard test for radiant protective performance of flame resistant materials

2.1.2测试方法中的差异因素

由表2的标准测试方法以及非标准测试方法可见，测评方法中使用的辐射热源、试样以及热流传感器等各异，这将导致测评结果存在差异。其中，不同的热源类型对应不同的传热方程外边界条件[13]，因此影响热防护性能测试结果。试样尺寸影响辐射角系数，从而影响织物的辐射传热[16]。试样的放置方向不仅影响织物与环境间的辐射角系数，而且造成衣下空气层内对流传热外边界条件的差异。

1)辐射热源。消防服的热防护性能很大程度上取决于热暴露的类型和强度，理论上来说，热流量影响传热模型的边界条件。表2中ASTM F 1939—2015和ASTM F 2702—2015基于Stoll曲线预测皮肤发生二级烧伤的时间，注意，Stoll曲线是基于皮肤直接暴露于均匀分布的热流量下的实验数据，因此，测试仪准确预测皮肤烧伤的关键在于热源产生均匀分布的辐射热流量。然而，Wan等[19]通过数值模拟RPP测试发现，试样表面中心区域的辐射热流量分布相对均匀，而两侧边缘的辐射热流量相对较低。即织物试样表面的辐射热流量并不是均匀的，那么基于Stoll曲线预测烧伤将产生偏差。

另外，不同的辐射热源加热元件也将产生不同的热流量水平，RPP测试仪的红外石英管在整个热暴露过程中提供恒定水平热流量，而SET测试仪的温控陶瓷黑体加热器由于要补偿仪器部件和试样夹持器的再辐射作用，产生较低水平热流量[5]。

2)试样尺寸与放置方向。Sawcyn等[20]发现，织物和传感器间空气层的热传递主要以辐射热交换为主。不同测试方法中试样的尺寸不同，而试样的尺寸影响其与传感器间的辐射角系数，从而影响辐射传热[21]。

小规模台式测试中，试样的放置方向主要有水平和垂直2种。实验发现，在10、20 kW/m2较低热流下，垂直单层织物的温度与文献中水平测试结果相似[19]，但是，Udayraj等[22]运用(CFD)计算流体动力学)模拟探究闪火热暴露下水平和垂直方向空气层对二级烧伤的影响，发现垂直方向空气层的防护性能更好，且空气层内辐射传热不受空气层方向的影响，而对流传热受其影响。

3)热流传感器。RPP测试仪所使用的铜片热流传感器适合于短时间高强度热暴露，在长时间较低热流量暴露下，会发生热饱和效应。由于此种传感器未考虑铜的热散失，因此低估了低强度长时间热暴露下的热流量[23]，而热蓄积测试(stored energy test，SET)装置使用水冷式Schmidt-Boelter热电堆传感器，其水冷循环系统解决了热饱和问题，但是该种传感器热响应时间较慢，精度受暴露时间影响，而且笨重昂贵[23]。

2.1.3测试方法的局限

1)对空气层的考虑。为模拟服装与人体皮肤间的间距，台式测试通常在传感器与面料之间设置空气层，但NFPA 1977—2011《荒地灭火用防护服和设备标识》规定的21 kW/m2辐射强度下的RPP测试以及ASTM F 2731—2011规定的8.5 kW/m2辐射强度下的SET测试等，都没有考虑织物与传感器之间空气层的影响。

空气层对热防护性能的影响较为复杂。一方面，由于衣下空气层的传导系数比织物要小得多，降低了热量传递速度，起到了很好的隔热作用[24]；另一方面，随空气层厚度的增大，空气层传导传热减小，而自然对流传热更加明显，从而降低服装隔热性能。Zhu等[25]发现，当空气层厚度在3～15 mm范围变化时，单层织物在强辐射热暴露下的二级烧伤时间先增加后减小，而后又增加。低辐射(2、5、10 kW/m2)热暴露以及冷却阶段，空气层厚度对多层织物系统的热防护性能起正面作用，随着空气层厚度的增加，可延长皮肤烧伤的时间[26]。

人体体表形状复杂，服装覆盖于人体表面所形成的衣下空气层分布不均匀，小规模台式测试并不能准确地模拟衣下空气层的分布，而且，低辐射下空气层对消防服传热的影响还受织物内水分以及人体出汗的影响[23]。另外，多层消防服层间往往不是紧密接触，尤其是外层与防水层间存在着较大空气层[16]，然而，标准测试方法中并没有统一要求是否需要在织物层间增加空气层。

2)对水分的考虑。水分对织物热防护性能的影响较复杂，不同研究所获得的结果可能相反。在6.3 kW/m2低辐射的热暴露下，消防服单层织物的热防护性能先减小后增大，在水分接近织物系统质量15%时，热防护性能最差，当含水达到100%时，二级烧伤时间接近干态情况[27]。

这是因为对流/传导和辐射是织物和传感器间的主要传热方式，当织物变得湿润时，由于水的导热性优于空气，使得织物系统的热导率增大，从而提高织物的热传递性能，降低热防护性能[28]，但是，由于水的比热大于空气，因此含水织物可存储更多热量，这又增强了织物的热防护性能[29]。

相关测试方法在模拟消防服中的水分时，只是在热暴露开始前向织物系统中加入一定量的水分，实验过程中不再加水，这与消防员工作不断出汗、外界不断喷水的情况差距较大，更没有模拟消防服在真实火场中的热湿环境。另外，在阻燃织物和防护服的热防护性能测试中，通常使用不同传感器(比如铜片热流传感器和皮肤模拟传感器)模拟皮肤组织内的传热[23]，不能模拟消防员在执行作业中人体出汗的过程。

2.2 全规模假人测试

小规模的台式测试能够提供辐射热暴露下织物的热响应信息，但是无法解释存在于服装内的所有变量，如合体性，织物层，空气间隙以及口袋和反光带等附加设计的影响。

Rossi等[30]研发了辐射假人HENRY，使用加热棒产生低辐射热流。美国北卡州立大学建成了RadManTM，可用来评价5～21 kW/m2辐射热条件下服装系统的辐射防护性能[6]。Fu等[17]使用“Newton”出汗暖体假人和炭化硅辐射板，探究低辐射热暴露下水分和辐射对消防服热防护性能的综合作用。随后，进一步比较了低水平辐射下小规模台式和全规模假人测试的差异性，发现来自人体出汗的内部水分对低辐射下服装的传热和热性能有显著影响[31]。

3 数值模拟

物理实验方法具有破坏性，且变化环境参数、织物参数等具有一定难度。通过数值模拟方法对织物的热传递性能进行模拟，可弥补物理实验的缺陷，为消防服防护性能的评估和优化提供重要的理论基础。

3.1 织物一维热传递模拟

Torvi等[7]采用有限元方法模拟了热暴露冷却阶段单层织物的传热过程，探究了织物厚度和空气层厚度对热防护性能预测的影响。Mell等[8]运用有限体积法模拟了低辐射热暴露下三层织物系统的热传递过程，织物里层温度的模型预测结果与实验的一致性很好(5 ℃以内)，但是外层温度的差异高达24 ℃，这可能是因为织物透射率和反射率的估计误差。

Onofrei等[9]用有限元软件模拟了ISO 6942—2002《防护服 耐热和耐火防护 试验法：暴露于辐射热源时对材料和材料套件的评定》标准的RPP测试，数值探究了热流量和空气层厚度对皮肤二级烧伤的影响。Jiang等[32]建立低辐射条件下多层织物系统的传热模型，模拟ISO 6942—2002标准的RPP试验，结果表明模拟结果与实验结果符合较好，这里已建立了火场环境仿真的三维CFD模型，但是对织物内的热传递仍为一维模型。通过对RPP测试实验进行数值模拟，发现RPP测试中入射到织物表面辐射热流量并不均匀[19]，此结论可为测试装置改进提供理论依据。以上研究在模型维数和仪器形态的假设方面，均采用了基于平壁假设的一维传热模型，朱方龙等[12]则将人体躯干简化为圆柱体，模拟一维径向传热，并探究了1～12 mm空气层厚度下的热流量，预测结果与实验一致。

消防服热湿传递数值模拟方面的研究较少，主要借鉴其它纺织材料的模拟方法。Chen[33]建立了100%红外辐射低-中等热流暴露条件下，单层面料的热湿耦合模型，但是忽略了辐射热传递。Prasad[15]通过数值模拟探究了2.5 kW/m2热辐射及冷却阶段，通过服装的热湿传递过程，预测结果与实验一致。Keiser等[29]对长时间低强度辐射热流下湿态多层热防护服装各层的热湿传递过程进行了数字化模拟研究。

3.2 服装三维热传递模拟

一维传热模型假设在任意时刻试样整个表面的温度一致，实验发现，织物表面存在明显的温度梯度[20]，为此有必要建立多维的传热模型。随计算机技术的发展，计算流体动力学(CFD)逐渐被运用其中。Han等[34]借助CFD建立了辐射热条件下裸体假人的三维热传递模型。Jiang等[32]建立了三维火场，但对织物传热模拟仍为一维模型。由于服装本身属性特殊，服装领域相关的数值模拟研究起步较晚[35]。Tian等[36]运用CFD模拟了闪火热暴露下着装燃烧假人的三维热传递过程，研究中选取了不易收缩，保型性较好的单层热防护服装建立模型，忽略热收缩的影响，未来有望拓展研究中建立的数值模型，探索多种热环境条件下多层服装系统的传热传质机理。

4 结 语

消防服作为消防员的生命保障，准确评价与预测其热防护性能具有重要意义。火场环境复杂多变，消防服热防护性能的研究重点在于如何尽可能准确地模拟实际火场环境。相比低辐射热暴露条件，学者更多关注闪火强热流下消防服的热防护性能。对于低辐射热环境的研究，仍有很大发展空间。

消防服内热湿传递机制复杂，其准确度仍有待提高，热湿传递模型大多以一维为主，对织物热分解反应、织物光学热性质、水分与空气层等因素的考虑不够充分。消防服热湿传递的数值模拟有了初步的发展，已有闪火强热流下单层消防服的三维传热模拟，但是低辐射热暴露下服装层面全尺度的数值模拟尚未有研究报道。未来，可运用CFD技术进行服装整体的三维热湿耦合传递的模拟，综合考虑外部环境(风速、水分等)、服装以及人体(出汗等生理反应)的共同影响。

小规模织物层面的测试方法，辐射热源、试样尺寸和放置方向以及热流传感器等因素会影响测试结果，有必要对测试装置，以及加湿、设置空气层等测试程序进行规范化。对于服装整体辐射热防护性能的评价，仍有待形成一定的测试规范与评价方法。

总之，目前低辐射热暴露下消防服热防护性能的研究尚不完善。对于消防服热防护性能的评价需要充分考虑消防服使用环境的实际条件，全面考虑各影响因素，准确合理地预测火场环境对人体的烧伤，建立完善的热防护性能评价体系。

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Analysisofevaluationmethodofthermalprotectiveperformanceoffirefighterprotectiveclothingexposuretolowlevelradiation

DENG Meng1,2， WANG Yunyi1,2,3
( 1．Fashion&ArtDesignInstitute,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 2．KeyLaboratoryofClothingDesignandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China; 3.ShanghaiInstituteofDesignandInnouation,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

In order to improve the accuracy of the evaluation of the thermal protective performance of firefighter protective clothing exposed to low level radiation, existing experimental evaluation methods and numerical modeling methods of heat transfer were analyzed. Based on the research of the heat transfer mechanism in firefighter protective clothing, the research status of heat and moisture transfer models was reviewed. The factors which affected the thermal protective performance were summarized. The evaluation methods of the thermal protective performance of firefighter clothing in low level radiation were summarized, and the effect of experiment methods and experimental equipment on the prediction of thermal protective performance were analyzed from two aspects of differences and limitations of test methods. The application of numerical simulation in the heat and moisture transfer was summarized. Simulating the exposure conditions in low level radiation exactly should be proposed in the future study to improve the accuracy of the evaluation of the thermal protective performance in firefight clothing.

low level radiation; firefighter protective clothing; heat transfer mechanism; performance evaluation

10.13475/j.fzxb.20170303108

TS 941.73

A

2017-03-15

2017-09-11

国家自然科学基金面上项目(51576038)；上海市自然科学基金项目(17ZR1400500)

邓梦(1991—)，女，博士生。研究方向为功能防护服装。王云仪，通信作者，E-mail: wangyunyi@dhu.edu.cn。