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        基于熱傳遞模型的高溫作業(yè)專用服裝設計研究

        2019-08-15 06:30:06吳呈昊南京郵電大學貝爾英才學院金心怡南京郵電大學經(jīng)濟學院張冼文南京郵電大學貝爾英才學院
        數(shù)碼世界 2019年8期
        關鍵詞:輻射熱空氣層郵電大學

        吳呈昊 南京郵電大學貝爾英才學院 金心怡 南京郵電大學經(jīng)濟學院 張冼文 南京郵電大學貝爾英才學院

        引言

        人們需要穿著專用服裝在高溫環(huán)境下工作,以避免燒傷,因此對高溫防護服的溫度分布進行研究,可以為該類高溫防護服的設計提供參考。為了能夠清晰地反應出解題思路,本文建模的流程為利用熱傳導模型以來求解溫度分布。

        1 模型建立與求解

        1.1 熱傳導:

        由于環(huán)境溫度控制在75℃,顯熱容和熱傳導率是常數(shù),顯熱容的計算式如下:。

        1.2 熱輻射:

        衣物材質的輻射能量,如果只考慮輻射,則有一部分是向左側的輻射熱,另一部分的輻射熱是向右測的,考慮到是衣物材質,輻射的能量有部分會被吸收,設表示在 點處向左邊輻射的總的熱輻射通量,設熱能密度為,根據(jù)能量守恒,得到:,考慮黑體吸收的輻射能,忽略向右的輻射能量,綜合這些因素,得到第一層織物的熱傳遞模型:

        1.3 第四層(空氣層)熱傳遞模型的建立

        類比于織物熱傳遞模型,可以得到空氣層的熱傳遞模型:

        將空氣層看成是封閉的有限空間,考慮空氣中的熱傳導、對流和織物的輻射作用空氣層的傳導是穩(wěn)態(tài),織物輻射是一種表面現(xiàn)象,將上述模型解耦成如下模型:

        1.4 模型的求解——基于有限差分法求解數(shù)值解

        由于偏微分方程組的非線性,對求解造成困難,因此使用有限差分法進行求解。

        第一層的模型為:

        本文發(fā)現(xiàn)實驗室的環(huán)境溫度控制在75℃但是并沒有提及是由某固定熱源發(fā)散,通過有限差分法對問題進行離散,通過空間和時間區(qū)間分別進行M 和N 等份,得到:

        綜合以上,得到第一層到第四層的離散化的差分方程模型:

        第一層 第二層

        第三層: 第四層(空氣層):

        2 結果及分析

        利用Matlab2016 進行求解,得到溫度隨時間空間的分布

        圖1 溫度隨時空分布圖

        由上可知,

        在初始時刻,熱傳遞還未開始,所有點的初始溫度均為37℃,而隨著時間推移,熱傳遞開始,在2200 秒左右均達到了穩(wěn)態(tài)。

        經(jīng)過30 秒后,第一層由外向里的0.202mm 處的溫度迅速由37℃上升至69℃,并隨時間的推移,增長速度逐漸放慢;離最外層表面越遠,在短期內溫度上升的速度最慢,由距離第一層外表面15.15mm 處的空氣層,在經(jīng)過30 秒后,溫度僅上升至37.114℃,說明防熱服設計較為合理。

        各層達到穩(wěn)態(tài)的時間點并不相同,并沒有固定規(guī)律可言,這可能與各層的材料、密度、厚度等各種因素有關。并且到達穩(wěn)態(tài)的溫度與距離第一層外表面的長度密切相關,長度越遠,到達穩(wěn)態(tài)的溫度越小。同時,可以看到,第一層由外向里的0.202mm 處的均衡溫度為73.33 ℃,與環(huán)境溫度75℃僅相差1.67℃,說明模型較好。

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