邱秀亮 俞青清 楊位乾 陳旭

摘? ?要：本文基于傅立葉定律結(jié)合多層平壁熱傳遞模型和干燥熱傳遞模型，構(gòu)造時(shí)間—位置—溫度的熱傳遞偏微分方程來解決熱防護(hù)服裝厚度的合理設(shè)計(jì)問題，然后將偏微分方程進(jìn)行離散化處理，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理發(fā)現(xiàn)皮膚表層超過1646s以后溫度不再增長，我們認(rèn)為自此系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)。利用有限差分法在MATLAB上算出動(dòng)態(tài)熱平衡之前的溫度分布，得到動(dòng)態(tài)熱平衡狀態(tài)時(shí)各層交界處的溫度。

關(guān)鍵詞：熱防護(hù)服? 干燥熱傳遞模型? 有限差分法

中圖分類號(hào)：TS941.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）05（c）-0082-02

現(xiàn)如今人們從事各種高溫作業(yè)下的安全隱患有增加的趨勢，在高溫條件下熱防護(hù)服具備對(duì)人體進(jìn)行安全防護(hù)的功能而顯得十分重要。比如消防員在火場環(huán)境滅火救援時(shí)常處于高溫高輻射的環(huán)境，如果防護(hù)服太厚重，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)激反應(yīng)，因此在高溫作業(yè)時(shí)保護(hù)人體皮膚不受傷害的前提下，如何減少防護(hù)服厚度，是本文討論的根本問題。

目前急需要解決的問題有：（1）根據(jù)已知的服裝材料的參數(shù)值以及在條件為75℃環(huán)境溫度、II層厚度為6mm、IV層厚度為5mm、工作時(shí)間為90min的情形下，計(jì)算溫度的分布;（2）當(dāng)環(huán)境溫度為65℃時(shí)，IV層厚度為5.5mm時(shí)，在確保工作60min時(shí)，假人皮膚外側(cè)溫度不超過47℃，且超過44℃的時(shí)間不超過5min的條件下確定II層最優(yōu)厚度;（3）當(dāng)環(huán)境溫度為80℃時(shí)，在保證工作30min時(shí)，其余條件與上述相同以此來確定II層和IV層的最優(yōu)厚度。

1? 模型的建立與求解

1.1 建立模型

傅立葉定律是通過歸納大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立起來的，導(dǎo)熱的基本模型如下[1]：

1.3 模型求解

有限差分法[8]數(shù)值計(jì)算的基本步驟[9]：

（1）區(qū)域的離散或子區(qū)域的劃分;

（2）插值函數(shù)的選擇;

（3）方程組的建立;

（4）方程組的求解。

通過matlab繪制出的溫度分布如圖2所示。

1.4 Ⅱ?qū)拥淖顑?yōu)厚度

利用問題一的偏微分方程，建立假人皮膚外側(cè)溫度與第Ⅱ?qū)雍穸群蜁r(shí)間的關(guān)系。由于第Ⅱ?qū)雍穸仍?.6～25mm之間，以0.1mm間隔遍歷出最優(yōu)厚度范圍在9.2～9.3mm之間，繼續(xù)細(xì)分得到第Ⅱ?qū)幼顑?yōu)厚度9.232mm。

1.5 Ⅱ?qū)雍廷魧拥淖顑?yōu)厚度

構(gòu)造皮膚外側(cè)溫度與第Ⅱ?qū)雍偷冖魧拥暮穸纫约皶r(shí)間的關(guān)系T（l2，l4，t），雙重循環(huán)遍歷出最優(yōu)厚度。得到第Ⅱ?qū)幼顑?yōu)厚度為8.7mm，第Ⅳ層最優(yōu)厚度為6.1mm。

2? 模型的評(píng)價(jià)與優(yōu)化

2.1 模型的優(yōu)點(diǎn)

建立的模型能與實(shí)際緊密聯(lián)系，具有堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所需數(shù)據(jù)少，可操作性強(qiáng)。

2.2 模型的缺點(diǎn)

（1）考慮的影響因素較少，處理問題時(shí)可能存在一些誤差;

（2）涉及許多數(shù)學(xué)以及物理公式，計(jì)算量較大。

2.3 模型的優(yōu)化

用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型建立織物的物理性能與熱防護(hù)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，輸入向量為外層織物的厚度、面密度、組織結(jié)構(gòu)、經(jīng)密、緯密、緊度、導(dǎo)熱系數(shù)、極限氧指數(shù)、損毀長度共9個(gè)性能指標(biāo)，輸出向量為織物的TPP值，來建立消防服用外層織物的熱防護(hù)性能預(yù)測模型。并進(jìn)行模型預(yù)測能力的驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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