廖志杰　周祖陽(yáng)　侯志賢

摘要：本文就給定溫度下高溫作業(yè)服各層溫度分布及高溫作業(yè)服某層最優(yōu)厚度進(jìn)行了研究分析，利用一維熱傳導(dǎo)分析、傅里葉變換、MATLAB遺傳算法工具箱、靈敏度分析等方法對(duì)題目進(jìn)行分析，最終得出最終的結(jié)論。針對(duì)溫度分布問(wèn)題，通過(guò)一維熱傳導(dǎo)分析及傅里葉變換，簡(jiǎn)化傳熱為一維方向上進(jìn)行，利用題目中假人體皮膚外側(cè)溫度來(lái)反求各層溫度變化。

關(guān)鍵詞：一維熱傳導(dǎo)模型;傅里葉變化;MATLAB遺傳算法工具箱;靈敏度分析

模型建立及求解

熱傳遞主要有兩種表現(xiàn)形式，一種是熱傳導(dǎo)，另外一種是熱輻射。該高溫專用作業(yè)服裝可以阻擋外界大部分的熱輻射，因此，本文的分析只考慮熱傳導(dǎo)。根據(jù)熱力學(xué)定律可知，如果內(nèi)部與外部有溫差，那么內(nèi)部與外部便會(huì)產(chǎn)生能量的傳遞。只要在某個(gè)介質(zhì)或者是兩個(gè)介質(zhì)之間存在溫差，便會(huì)發(fā)生傳熱，我們稱之為熱傳導(dǎo)。首先我們建立高溫外界環(huán)境-防護(hù)服-皮膚的模型，并對(duì)其中的一些因素進(jìn)行假設(shè)，利用傅里葉定律以及有限差分模型，所有參數(shù)已知并且根據(jù)人體外部溫度，反向推出溫度的分布。

近幾年，關(guān)于低維系統(tǒng)熱傳導(dǎo)的研究較多。根據(jù)以往的研究成果，在一維的可積系統(tǒng)中，在鏈上不能形成溫度梯度。對(duì)于一維的不可積系統(tǒng)，其中一些，如Frenkel Kontoroval模型、不連續(xù)Ф模型，以及洛倫茨模型等，可以在鏈上形成梯度分布，，同時(shí)，熱導(dǎo)率k是一個(gè)與系統(tǒng)尺寸無(wú)關(guān)的常數(shù)，可見(jiàn)這些一維系統(tǒng)還是遵循Fourier熱傳導(dǎo)定律的。

環(huán)境溫度高于人體體溫的時(shí)候，尤其是高溫條件下，我們更加注重外層服裝隔熱性能，增強(qiáng)熱防護(hù)效果，以防止人體皮膚被灼傷. 在服裝內(nèi)部導(dǎo)熱機(jī)理主要是熱傳導(dǎo)和熱輻射。

有研究表明，高溫作業(yè)服和皮膚之間空氣層的熱傳遞以輻射熱交換為主^[2]. 當(dāng)織物和皮膚之間的空氣層厚度小于 8???時(shí)，由于空氣層間隙太小，從而無(wú)法形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這時(shí)空氣層的熱傳遞以傳導(dǎo)為主. 皮膚和織物之間的空氣層之間的能量熱平衡方程即Ⅳ層的能量熱平衡方程，

Ⅳ層的初始條件：

Ⅳ層的邊界條件：

用0=X₀1<…M1=L1表示熱防護(hù)服裝的劃分，用L₁==L₂表示空氣層的劃分，L₂==L₃表示皮膚層的劃分。

高溫下專用服裝層的離散格式為，

，

.，，

那么

高溫下專用服裝（Ⅰ層Ⅱ?qū)?Ⅲ層）左邊界離散為，

高溫下專用服裝（Ⅰ層Ⅱ?qū)?Ⅲ層）的右邊界離散為，

Ⅳ層離散格式為，

，

其中

Ⅳ層左邊界條件，Ⅳ層右邊界條件為，

系統(tǒng)中主要相關(guān)的參數(shù)

I層的密度、比熱、熱傳導(dǎo)率、厚度為300、1377、0.082、0.6，II層分別為862、2100、0.37、0.6-25

III層分別為74.2、1726、0.045、3.6，IV層分別為1.18、1005、0.028、0.6-6.4。

利用MATLAB計(jì)算規(guī)劃得出Ⅰ層Ⅱ?qū)?Ⅲ層IV層溫度分布如下

根據(jù)matlab編程得到的結(jié)果可知，Ⅰ層隨時(shí)間的增長(zhǎng)溫度逐漸穩(wěn)定在75℃，并且不斷地?zé)o限接近75℃。

根據(jù)matlab算出的結(jié)果可知，Ⅱ?qū)与S著時(shí)間的增加溫度也逐漸穩(wěn)定于一定的數(shù)值，并且無(wú)限接近

Ⅲ層的溫度隨時(shí)間的分布。可知該層的溫度也會(huì)隨時(shí)間不斷地前進(jìn)穩(wěn)定到一定程度。

參考文獻(xiàn)

[1]韋娜. 一維FPU模型的熱傳導(dǎo)[J]. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，31（2）：105-106

[2] D.A. Torvi，J.D. Dale，B. Faulkner。氣隙對(duì)阻燃織物臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的影響[J]。消防工程學(xué)報(bào)，1999，10（1）：1-12。