王松慶于艷紅滿效強(qiáng)陳亮

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱，150040；2.東北林業(yè)大學(xué)野生動(dòng)物資源學(xué)院，哈爾濱，150040)

飛鼠(Pteromysvolans)是分布在中國(guó)新疆阿爾泰山、東北地區(qū)、內(nèi)蒙古東部等地的亞高山針葉林的嚙齒目動(dòng)物。哺乳動(dòng)物作為恒溫動(dòng)物，其毛皮在調(diào)節(jié)自身產(chǎn)熱和散熱的動(dòng)態(tài)平衡中起著重要的作用，為動(dòng)物適應(yīng)復(fù)雜多變的氣候環(huán)境、提高自身生存分布提供了必要的條件。毛皮的熱物性參數(shù)是反應(yīng)動(dòng)物毛皮保溫性能的最直觀的數(shù)據(jù)，國(guó)外在動(dòng)物毛皮傳熱性能領(lǐng)域上的研究起步較早，一些學(xué)者利用自己研發(fā)制造的毛皮熱工性能測(cè)試設(shè)備對(duì)動(dòng)物毛皮的熱物性參數(shù)進(jìn)行了定量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。Scholander等人將南極地區(qū)哺乳動(dòng)物的毛皮固定于兩夾板之間，同時(shí)加熱兩夾板到相同的溫度后，將一側(cè)置于零攝氏度的環(huán)境中，對(duì)南極地區(qū)不同哺乳動(dòng)物毛皮的保溫性能進(jìn)行了研究[1]。Boyles等人利用恒溫水浴向金屬板提供固定熱量的方法來(lái)使金屬板保持穩(wěn)定的溫度來(lái)模擬動(dòng)物的恒定體溫，通過(guò)對(duì)不同毛皮的熱流密度以及毛皮內(nèi)外表面溫差的測(cè)定推算出毛皮傳熱系數(shù)，用此方法對(duì)不同地區(qū)的老鼠腹部毛皮在不同溫度、風(fēng)速、季節(jié)條件下的熱工性能進(jìn)行研究[2]。國(guó)內(nèi)關(guān)于動(dòng)物毛皮的熱工性能研究和國(guó)外相比較晚，目前還處于探索研究階段。程志斌等人對(duì)漠河地區(qū)人工養(yǎng)殖的北極狐(Alopexlagopus)冬季毛皮性狀與保溫效果的關(guān)系進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明北極狐不是通過(guò)降低毛細(xì)度的方式來(lái)增加毛密度以達(dá)到加強(qiáng)保溫效果的目的，而是通過(guò)改變被毛在皮膚內(nèi)的分布格局來(lái)增加毛密度，并且將有髓質(zhì)的絨毛分為上下兩層來(lái)改變毛皮空間結(jié)構(gòu)。這兩種策略均提高了毛皮內(nèi)滯留空氣的含量，加強(qiáng)了毛皮的保溫性能，從而適應(yīng)高緯度地區(qū)的寒冷氣候[3]。鄭雷等在借鑒國(guó)外相關(guān)研究方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了動(dòng)物體被穩(wěn)態(tài)過(guò)程熱物性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)。通過(guò)此測(cè)試平臺(tái)對(duì)小興安嶺地區(qū)夏季及冬季時(shí)的黃鼬東北亞種(Mustelasibiricasibirca)雌性、雄性成體毛皮的熱工性能進(jìn)行了嘗試性研究。研究結(jié)果表明黃鼬東北亞種雌雄個(gè)體毛皮的熱工性能存在差異。與此同時(shí)，黃鼬在不同季節(jié)時(shí)毛皮的熱工性能也存在差異，冬季毛皮的保溫性能要優(yōu)于夏季毛皮保溫性能[4-5]。華彥對(duì)黃鼬東北亞種毛皮熱力學(xué)特性及影響因素進(jìn)行了進(jìn)一步研究[6]。但由于毛皮結(jié)構(gòu)及傳熱的復(fù)雜性，基本物性參數(shù)隨時(shí)間、環(huán)境的變化而變的復(fù)雜多變，至今仍然沒(méi)有統(tǒng)一的測(cè)定方法和標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)自建毛皮熱物性參數(shù)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)分布于大興安嶺北部地區(qū)冬季飛鼠的毛皮熱工性能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，采用熱流密度、總傳熱系數(shù)等評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用導(dǎo)熱系數(shù)這一指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)動(dòng)物毛皮熱工性能的熱物性參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行量化研究，研究結(jié)果可以作為解釋飛鼠安全越冬的重要理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品基本熱物性參數(shù)的測(cè)試。該測(cè)試平臺(tái)主要由4部分組成：溫度及熱流密度測(cè)定系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)和風(fēng)速變頻控制系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)各組成部分如圖1所示，測(cè)試原理與步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic of test system

2 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

2.1 實(shí)驗(yàn)材料獲得及取樣

以捕獲的大興安嶺北部地區(qū)冬季越冬飛鼠為研究對(duì)象，此次捕獲飛鼠得到了中國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)的批準(zhǔn)，共捕獲5只成體飛鼠，體重在86.7 ～99.7 g之間，平均值為(93.8±4.0)g。將剝離后的毛皮自然展開(kāi)鋪平，用夾子固定邊緣放置于室內(nèi)遮陽(yáng)處自然干燥。在飛鼠臀部割取100 mm×50 mm的毛皮作為待測(cè)試樣，實(shí)驗(yàn)前將試樣拍打恢復(fù)至自然蓬松狀態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 待測(cè)試樣的放置

實(shí)驗(yàn)時(shí)將蓬松的毛皮試樣放置于測(cè)試小室內(nèi)部凹槽內(nèi)，為了避免毛皮加熱后發(fā)生卷曲現(xiàn)象，用3 mm厚的有機(jī)玻璃板加工成10 mm×50 mm×100 mm的邊框，實(shí)驗(yàn)時(shí)壓于毛皮試樣邊緣以增強(qiáng)毛皮與均熱板之間的接觸。

2.2.2 測(cè)試平臺(tái)的運(yùn)行

開(kāi)啟計(jì)算機(jī)打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)定采樣參數(shù)，將冰水混合物放入保溫裝置以作為熱電偶的溫度參考零點(diǎn)，開(kāi)啟超級(jí)恒溫水浴設(shè)定熱板溫度為38℃，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)使風(fēng)道內(nèi)的風(fēng)循環(huán)后再開(kāi)啟壓縮機(jī)制冷裝置，待整個(gè)測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)始采樣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小室內(nèi)的溫度和風(fēng)速由布置的測(cè)點(diǎn)測(cè)得，并可以由風(fēng)速變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)速、制冷裝置和鉑熱電阻共同實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先關(guān)閉制冷裝置，讓風(fēng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)半個(gè)小時(shí)以上以防止室內(nèi)空氣進(jìn)入風(fēng)道內(nèi)部后與冷空氣相遇發(fā)生水蒸氣凝結(jié)現(xiàn)象。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采樣間隔為300 s，即采集的每一個(gè)數(shù)據(jù)為300 s內(nèi)的平均值，待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后取8組采樣的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程原理及結(jié)果分析

本研究在充分參考前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，采用通過(guò)毛皮的熱流密度q及毛皮傳熱系數(shù)K這兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)表示風(fēng)力和溫度這兩個(gè)因素對(duì)毛皮熱工性能的影響程度。在此基礎(chǔ)上，研究溫度對(duì)毛皮熱工性能影響時(shí)引入導(dǎo)熱系數(shù)λ這一熱物性基本參數(shù)指標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，以求達(dá)到更合理地評(píng)價(jià)飛鼠毛皮的熱工性能。

3.1 風(fēng)力對(duì)飛鼠毛皮熱工性能的影響

在探究風(fēng)力對(duì)飛鼠毛皮熱工性能影響的研究中，未開(kāi)啟制冷設(shè)備，溫度為室溫(20±0.9)℃，恒溫水浴溫度設(shè)定為38℃，風(fēng)速由手持風(fēng)速儀測(cè)定并由風(fēng)速變頻器實(shí)現(xiàn)0～100%內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。風(fēng)速范圍為0～4.82 m/s(即vmax=4.82 m/s)，風(fēng)速采用變頻器的調(diào)節(jié)量來(lái)表示。當(dāng)流體流過(guò)與之接觸的固體壁面時(shí)將會(huì)發(fā)生熱量傳遞，該現(xiàn)象稱之為對(duì)流換熱，對(duì)流換熱量的計(jì)算公式如(1)所示：

q=hΔt

(1)

式中，q：熱流密度，W/m2；h：為對(duì)流系數(shù)，W/(m2·℃)；Δt：溫差，℃。

在風(fēng)力作用下，快速流動(dòng)的空氣與動(dòng)物毛皮之間將發(fā)生對(duì)流換熱。因此風(fēng)力作用是影響動(dòng)物與外界發(fā)生熱量交換的重要因素。風(fēng)速對(duì)毛皮熱流密度的影響如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)風(fēng)速為全風(fēng)速的0%，即為無(wú)風(fēng)狀態(tài)，毛皮與空氣將以自然對(duì)流換熱的形式進(jìn)行熱量交換，由于自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力較小換熱量也小，因此熱流密度比有風(fēng)力作用時(shí)要小，總樣本熱流密度平均值僅有34.14 W/m2。當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，即風(fēng)力作用越來(lái)越強(qiáng)時(shí)，熱流密度隨之增大，范圍在36.74～70.71 W/m2間。風(fēng)速較低時(shí)，此時(shí)自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流同時(shí)發(fā)生，但此時(shí)自然對(duì)流現(xiàn)象占主導(dǎo)地位。但當(dāng)風(fēng)速逐漸增加到一定值后，此時(shí)強(qiáng)迫對(duì)流換熱量超過(guò)自然對(duì)流換熱量成為換熱的主要途徑。

圖2 風(fēng)速對(duì)毛皮熱流密度的影響Fig.2 The effect on heat flux density of fur with wind speed

僅采用熱流密度這一物性參數(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)毛皮的熱工性能還不足以全面地反映毛皮的保溫性能。根據(jù)能量守恒原理，通過(guò)毛皮的傳熱量和毛皮與周圍空氣之間的對(duì)流換熱量相等，即如公式(2)所示。

q=hΔt=KΔt

(2)

式中，K：毛皮傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

為了更加全面地反映毛皮的保溫性能，研究風(fēng)速對(duì)毛皮傳熱系數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可知，毛皮的傳熱系數(shù)在4.96～6.27 W/m2之間。毛皮傳熱系數(shù)隨風(fēng)速的增加而變大。產(chǎn)生之一現(xiàn)象的原因是隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)力作用越來(lái)越強(qiáng)，毛皮在風(fēng)力的作用下由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榱藬_動(dòng)狀態(tài)，其毛皮原有結(jié)構(gòu)在風(fēng)力的作用下被改變后使得毛皮的保溫性能變差。

圖3 風(fēng)速對(duì)毛皮傳熱系數(shù)的影響Fig.3 The effect on heat conductivity of fur with wind speed

3.2 溫度對(duì)飛鼠毛皮熱工性能的影響

溫度是影響生物生存的又一重要環(huán)境因子。恒溫動(dòng)物在環(huán)境溫度隨季節(jié)、地理位置等條件發(fā)生急劇變化時(shí)要保持體溫的相對(duì)恒定，溫度這一因素對(duì)其生存、分布的影響顯得尤為重要。熱量傳遞的動(dòng)力則是物體內(nèi)部或者物體之間存在溫度差。研究溫度對(duì)飛鼠毛皮熱工性能影響的工作中，開(kāi)啟制冷設(shè)備，溫度設(shè)定為5檔：-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃，恒溫水浴溫度設(shè)定為38℃，風(fēng)速設(shè)定為1 m/s。溫度對(duì)飛鼠毛皮傳熱系數(shù)影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，外部溫度變化時(shí)，樣本的傳熱系數(shù)在5.25～5.76 W/m2范圍內(nèi)波動(dòng)。在上一小節(jié)研究風(fēng)力作用對(duì)飛鼠毛皮傳熱系數(shù)影響中，飛鼠毛皮傳熱系數(shù)在風(fēng)速1 m/s時(shí)的范圍為5.28～5.36 W/m2，二者可以較好地吻合。當(dāng)物體的幾何參數(shù)已知時(shí)，其傳熱系數(shù)就已經(jīng)確定，和溫度并無(wú)直接關(guān)系。傳熱系數(shù)的變動(dòng)是由于實(shí)驗(yàn)樣本的差異、實(shí)驗(yàn)誤差和實(shí)驗(yàn)中風(fēng)力作用下毛皮結(jié)構(gòu)被改變所造成的。

圖4 溫度對(duì)毛皮傳熱系數(shù)的影響Fig.4 The effect on heat conductivity of fur with temperature

溫度對(duì)毛皮傳熱系數(shù)的影響如圖5所示。通過(guò)毛皮的熱流密度q為毛皮傳熱系數(shù)與毛皮內(nèi)外表面溫度差的乘積。由圖可以看出熱流密度隨著實(shí)驗(yàn)溫度的降低而增大，由公式(2)可知這是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供熱量的超級(jí)恒溫水浴溫度設(shè)置為恒定溫度，即熱源溫度一定，毛皮的傳熱系數(shù)又為定值，當(dāng)環(huán)境溫度不斷下降時(shí)溫差增大所致。

圖5 溫度對(duì)毛皮熱流密度的影響Fig.5 The effect on heat flux density of fur with temperature

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及毛皮保溫機(jī)理討論

在引入熱流密度、毛皮傳熱系數(shù)這兩項(xiàng)指標(biāo)后，對(duì)毛皮的保溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)仍存在不足之處。例如，對(duì)于不同物種或同一物種在不同季節(jié)的毛皮而言，雖然可以測(cè)出熱流密度、傳熱系數(shù)這兩項(xiàng)指標(biāo)，但測(cè)出的數(shù)據(jù)都是基于測(cè)試樣本自身特定的厚度這一前提條件，不同物種毛皮的厚度一般是不同的，有時(shí)相差甚大。僅采用熱流密度、傳熱系數(shù)這兩項(xiàng)指標(biāo)無(wú)法排除毛皮厚度的干擾。鄭雷等人對(duì)黃鼬東北亞種毛皮的保溫性能進(jìn)行了研究[5]，為說(shuō)明僅采用熱流密度、毛皮傳熱系數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)的局限性，在此引用文獻(xiàn)[5]研究中有關(guān)冬季黃鼬毛皮性能的部分?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)果與本研究中進(jìn)行比較。兩物種熱流密度和傳熱系數(shù)平均值的對(duì)比分別如圖6和圖7所示。

熱流密度越大，表示通過(guò)毛皮的熱量越多，則保溫效果越不理想。通過(guò)對(duì)兩物種毛皮的熱流密度隨環(huán)境溫度變化的對(duì)比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，森林型黃鼬及丘陵型黃鼬的毛皮熱流密度均大于通過(guò)飛鼠毛皮的熱流密度，這說(shuō)明飛鼠毛皮的保溫性能要優(yōu)于黃鼬的毛皮保溫性能。材料的傳熱系數(shù)越小，則表示材料的保溫性能越強(qiáng)。兩物種的傳熱系數(shù)隨環(huán)境溫度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。由圖7可知飛鼠毛皮的傳熱系數(shù)要大于森林型黃鼬及丘陵型黃鼬的毛皮傳熱系數(shù)，這說(shuō)明黃鼬的毛皮保溫性能要優(yōu)于飛鼠毛皮的保溫性能。

圖6 溫度對(duì)兩物種毛皮熱流密度的影響Fig.6 The effect on heat flux density of two species fur with temperature

圖7 溫度對(duì)兩物種毛皮傳熱系數(shù)的影響Fig.7 The effect on heat conductivity of two species fur with temperature

由對(duì)兩物種熱流密度及傳熱系數(shù)的對(duì)比分析，得出了兩個(gè)完全相悖的結(jié)論。因此在采用熱流密度和傳熱系數(shù)這兩項(xiàng)指標(biāo)后還不足以客觀地評(píng)價(jià)毛皮的性能，為此，本研究中進(jìn)一步引入導(dǎo)熱系數(shù)這一參數(shù)以期達(dá)到更加全面客觀地評(píng)價(jià)毛皮熱工性能的目的。作為物質(zhì)基本熱物性參數(shù)的導(dǎo)熱系數(shù)是表征物體熱傳導(dǎo)能力大小的物理量，符號(hào)用λ表示，單位為W/(m·℃)。其物理意義是指物體在單位厚度具有單位溫度差值情況時(shí)，物體在單位面積內(nèi)每單位時(shí)間傳遞的量。兩物種不同溫度下毛皮導(dǎo)熱系數(shù)平均值對(duì)比圖如圖8所示。由圖8可知，通過(guò)對(duì)[5]研究結(jié)果中有關(guān)冬季黃鼬毛皮性能的部分?jǐn)?shù)據(jù)整理后得到森林型黃鼬毛皮在不同實(shí)驗(yàn)溫度下導(dǎo)熱系數(shù)在區(qū)間(0.949，0.953)W/(m·℃)，丘陵型黃鼬毛皮在不同實(shí)驗(yàn)溫度下導(dǎo)熱系數(shù)的范圍為(0.951，0.957)W/(m·℃)，而本研究飛鼠毛皮在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)在區(qū)間(0.053，0.058)W/(m·℃)內(nèi)。由導(dǎo)熱系數(shù)可見(jiàn)飛鼠毛皮的導(dǎo)熱系數(shù)要比黃鼬毛皮的導(dǎo)熱系數(shù)小一倍，因此飛鼠毛皮保溫性能更好。

綜合考慮對(duì)流系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)以及熱流密度這3個(gè)毛皮的基本熱物性指標(biāo)，可以得出飛鼠毛皮保溫效果優(yōu)于黃鼬。黃鼬毛皮的傳熱系數(shù)之所以比飛鼠毛皮的傳熱系數(shù)小，是因?yàn)辄S鼬毛皮的厚度在25 mm左右，而飛鼠的毛皮厚度僅在10 mm左右，黃鼬毛皮保溫性能在這一指標(biāo)上優(yōu)于飛鼠毛皮是以犧牲數(shù)量為前提的。優(yōu)越保溫性能的毛皮對(duì)于飛鼠在氣候條件惡劣的冬季安全越冬至關(guān)重要。

圖8 兩物種不同溫度下毛皮導(dǎo)熱系數(shù)Fig.8 The heat conductivity of two species fur with different temperature

5 結(jié)論

本文通過(guò)動(dòng)物毛皮熱物性參數(shù)測(cè)試裝置，對(duì)采集于大興安嶺北部地區(qū)越冬飛鼠毛皮的熱工性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在充分參考借鑒前人關(guān)于動(dòng)物毛皮研究成果和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用了熱流密度、毛皮傳熱系數(shù)這兩項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了僅采用這兩項(xiàng)指標(biāo)的局限性，并舉例分析了問(wèn)題的所在。進(jìn)一步引入導(dǎo)熱系數(shù)這一基本熱物性參數(shù)作為評(píng)價(jià)動(dòng)物毛皮保溫性能的又一項(xiàng)指標(biāo)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)力及溫度這個(gè)因子對(duì)飛鼠毛皮熱工性能的影響。實(shí)驗(yàn)測(cè)得飛鼠毛皮的導(dǎo)熱系數(shù)的范圍在區(qū)間(0.053，0.058)W/(m·℃)內(nèi)。證明了飛鼠毛皮是一種性能良好的保溫材料。其性能甚至比一些建筑常用的保溫材料還要優(yōu)越。保溫性能優(yōu)越的毛皮對(duì)于飛鼠在氣候條件惡劣的冬季安全越冬至關(guān)重要。