空氣層位置對消防戰斗服隔熱性能的影響

黃冬梅， 何 松

(1. 中國計量學院 質量與安全工程學院， 浙江 杭州 310018； 2. 中國計量學院 浙江省家具檢測技術研究重點實驗室， 浙江 杭州 310018； 3. 中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室， 安徽 合肥 230027)

?

空氣層位置對消防戰斗服隔熱性能的影響

黃冬梅1，2， 何 松3

(1. 中國計量學院 質量與安全工程學院， 浙江 杭州 310018； 2. 中國計量學院 浙江省家具檢測技術研究重點實驗室， 浙江 杭州 310018； 3. 中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室， 安徽 合肥 230027)

為研究輻射情況下空氣層位置不同對消防戰斗服材料隔熱性能的影響，基于織物熱濕傳遞多孔介質模型，建立織物-空氣層-皮膚系統熱濕耦合模型，研究空氣層厚度為1～10 mm，位于外層與防水層之間及舒適層與皮膚之間時，織物背熱面及內部溫度變化；基于生物傳熱方程，采用Henriques人體皮膚燒傷模型計算人體皮膚燒傷時間。結果表明：空氣層厚度相同，位于外層與防水層之間時，織物-空氣層系統的隔熱性能優于空氣層位于舒適層和皮膚之間的情況，人體皮膚燒傷時間極大延遲；當空氣層位于外層與防水層之間，厚度大于7 mm時，人體皮膚燒傷時間出現突躍性增大；消防戰斗服在進行設計時應增大外層與防水層之間空氣層厚度，并且對于身體各部分分開設計。

消防戰斗服； 隔熱性能； 數值模擬； 皮膚； 燒傷時間

消防服是用于保護消防員滅火救援時軀干、四肢等免受熱量、火焰、有害物質侵害的消防常用裝備。我國現役消防服包括消防避火服、隔熱服、防火防化服、戰斗服等6類。其中消防戰斗服的使用最普遍。根據消防戰斗服設計制作標準GA 10—2014《消防員滅火防護服》，我國消防戰斗服由外層及防水透氣層、隔熱層、舒適層組成的內膽構成。

消防戰斗服材料內部及其與人體之間的空氣層厚度是影響其隔熱性能的關鍵因素[1]。Song[2]和Kim等[3]采用三維人體掃描技術測定不同消防戰斗服材料與人體之間的空氣層厚度為0～85 mm之間。國內外諸多研究者建立了消防服內部傳熱模型，研究了不同條件下空氣層對消防服內部傳熱的影響，如Chitrphiromsri等[4-6]建立了消防服內部熱濕耦合模型，研究在轟燃條件下，消防服與人體皮膚之間空氣層厚度對皮膚二度及三度燒傷時間的影響。研究結果表明，空氣層厚度越小，燒傷時間越短。Song[7-9]以及何松等[10]前期的研究結果表明，消防戰斗服舒適層與人體皮膚之間的空氣層最佳厚度為7～8 mm，低于此值，空氣層內部傳熱形式以熱傳導為主，隔熱性能隨空氣層厚度增大而提高，高于此值，空氣層內以對流傳熱為主，隔熱性能基本穩定不變，但空氣層厚度較大將影響人體穿著的舒適度及活動的便利性。朱方龍等[11-13]搭建了圓柱形實驗裝置，并基于該裝置的實驗結果建立了消防服傳熱模型，研究了消防服與人體皮膚之間空氣層厚度為1～12 mm時消防服織物的隔熱性能，分析了相變材料應用于消防服的可行性。

綜上所述，國內外研究者就空氣層厚度對消防服隔熱性能的影響方面開展了諸多研究，取得可喜的研究成果，但是目前的研究中空氣層位置主要位于消防服與人體皮膚之間。而在實際使用過程中，由于現役消防服為外層與內膽脫離的結構，因此在消防服外層與內膽之間亦存在較大的空氣層。本文在前期研究的基礎上，以消防戰斗服為例，基于Chitrphiromsri[6]的多孔介質傳熱模型，考慮消防戰斗服各層材料之間的熱輻射反饋作用，采用生物傳熱方程[14]和Henriques方程[15]計算人體皮膚燒傷時間，建立環境-織物-空氣層-皮膚熱濕耦合模型。采用有效容積法，Crank-Nicholson格式離散守恒方程組，逐變量分析法計算，C語言編程求解。采用隔熱實驗結果對計算結果進行驗證。最后采用驗證后的模型研究空氣層位置對消防戰斗服織物隔熱性能及人體皮膚燒傷時間的影響。

1 數值方程

消防戰斗服計算系統結構圖如圖1所示。消防戰斗服為4層結構：外層、防水透氣層、隔熱層和舒適層。皮膚包括表皮層、真皮層和皮下組織層。空氣層位置為外層與防水層之間和舒適層與皮膚之間；厚度為1～10 mm，每隔1 mm變化。鑒于實際使用過程中防水透氣層、隔熱層、舒適層之間并非完全貼合，因此模擬中設定此3層之間存在0.5 mm的空氣層。熱量主要來源于外層外表面。坐標原點位于外層受熱面。

圖1 消防戰斗服織物-空氣層-皮膚系統結構圖Fig.1 Structure of FPC-air gap-human skin system

基于Chitrphiromsri[6]的多孔介質傳熱模型，考慮各層材料之間的輻射換熱，建立消防戰斗服各層材料內部守恒方程組。

能量守恒方程為

(1)

質量守恒方程:

固態

(2)

液態

(3)

氣態

(4)

式中：ρb為結合水的密度，kg/m3；εb為結合水體積分數；εl為自由水體積分數；εg為氣體體積分數；ρv為水蒸氣的密度，kg/m3；ρl為自由水的密度，kg/(m3·s)；ρb為結合水的密度，kg/m3；εb為結合水體積分數；ρv為水蒸氣的密度，kg/(m3·s)；Deff為織物內氣相的有效擴散系數，m2/s。

自由水動量守恒方程為

(5)

(6)

(7)

(8)

空氣層中守恒方程：

能量守恒

(9)

質量守恒(氣相)

(10)

采用Pennes的生物熱平衡方程[14]計算人體皮膚內熱傳遞：

(11)

式中：ρskin為皮膚的密度，kg/m3；ρblood為血液的密度，kg/m3；(Cp)blood為血液的比熱容，J/(kg·K)；(Cp)skin為皮膚的有效比熱容，J/(kg·K)；Tart為人體核心溫度，K；ωb為血液灌注率，m3/(s·m3)。

計算時初始條件為

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

邊界條件為

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

式中：下標0為厚度為0處邊界；下標L為厚度為L處邊界。由于每日上午和下午人體皮膚的平均溫度分別為(306.3±0.5) K 和(306.5±0.4) K[17]，因此在進行實驗測定時，設置消防戰斗服材料背熱面恒溫水箱內水溫為(306.5±1) K，以模擬背熱面人體皮膚溫度，采用熱電偶測定恒溫水箱內水溫為313 K，實驗裝置介紹及樣品處理與測定詳見文獻[10]，為保持模擬計算與實驗邊界條件一致，模擬計算時邊界條件選擇為313 K,采用Henriques和Moritz[15]的方法計算人體皮膚燒傷時間，首先計算表皮層與真皮層之間界面(如圖1所示)處的Henriques積分函數Ω，根據Takata[18]的判斷準則，即Ω=0.53時，Ⅰ度燒傷；Ω=1.0時，Ⅱ度燒傷，計算空氣層位置、厚度不同時，人體皮膚出現Ⅰ度、Ⅱ度燒傷的時間。Henriques積分函數Ω計算公式如下：

(27)

積分上式可得

(28)

式中：Ω為Henriques積分常數；P為Henriques計算常數；R為通用氣體常數；△E為皮膚活化能，J。

對守恒方程組采用有限容積法，C—N格式進行離散，邊界條件采用中心網格法離散。對織物與空氣層之間界面處的導熱系數、擴散系數采用調和平均計算，其他位置采用算術平均。離散后的方程組采用“追趕法”求解，松弛因子為0.6，迭代精度要求為10-6。采用C語言編程計算，時間步長為10-3，空間步長為10-5，每0.1 s輸出1個數據。

2 結果與討論

本文提出模型中基本參數包括消防戰斗服材料和空氣層的熱物性參數和光學特性參數，皮膚的熱物性參數。消防戰斗服各層材料的厚度采用游標卡尺測定，厚度由外向內依次為0.31、0.5、1.1、0.29 mm。各層材料比熱容與溫度的函數為：

外層：Cp=-479.335 67+3.661 19T281～473 K

防水層：Cp=-2 121.045 36+8.964 67T281～373 K

隔熱層：Cp=-1 829.597 11+8.477 74T281～373 K

舒適層：Cp=-562.425 22+5.704 98T281～373 K

消防戰斗服其他熱物性參數及光學特性參數見文獻[19]；不同溫度條件下空氣的比熱容、動力黏度、密度、熱導率等參數見文獻[20]；皮膚的熱物性參數見文獻[21-23]；Henriques方程參數見文獻[24]。

2.1 模型驗證

首先驗證模擬計算結果的準確性，采用研究者前期搭建的多層織物熱濕傳遞機制實驗測試裝置測試結果，實驗裝置介紹及樣品處理與測定詳見文獻[10]。以消防戰斗服材料與人體皮膚之間空氣層厚度1 mm工況下的實驗結果作為驗證組，實驗結果與計算結果對比如圖2所示。圖中離散點數據為實驗測定結果，曲線為相應位置數值模擬結果。

圖2 實驗結果與計算結果對比圖Fig.2 Comparison between measured data and calculation one. (a)Temperature versus time； (b)Temperature versus thickness

由圖2可知，該實驗工況下，計算結果與實驗結果一致性較好，相對誤差小于6%。下文采用模型計算空氣層厚度為1～10 mm，位于外層與防水層(O-M)之間及位于人體皮膚與舒適層(C-S)之間時，消防戰斗服材料內部溫度變化及不同條件下人體皮膚燒傷時間。

2.2 模擬結果討論與分析

基于數值模擬結果，分析空氣層位于O-M和C-S之間時，消防戰斗服織物-空氣層-皮膚系統內部溫度變化及人體皮膚燒傷時間。隨著空氣層厚度由1 mm增加到10 mm，消防戰斗服織物-空氣層至皮膚表面的厚度由4.3 mm增加至14.3 mm。模型邊界溫度TL=-345.713exp(-t/39.1541)+658.274。空氣層厚度為1、4、6、10 mm，不同時刻消防戰斗服內溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 不同時刻消防戰斗服內溫度變化曲線Fig.3 Temperature distributions in FPC at different moments of time

由圖3可知，當厚度為1 mm時，空氣層位置對消防戰斗服外表面至皮膚之間溫度影響不大，溫度隨厚度的增加而降低。當厚度為4 mm，初始階段，空氣層位于O-M區域時，該區域溫度高于空氣層位于C-S區域的情況，當時間大于50 s時，與前期情況相反，如圖3(b)所示。當空氣層厚度大于4 mm時，50 s前后空氣層位置不同時溫度差逐漸增大，如圖3(c)、(d)所示。這是因為織物內的比熱容及熱導率遠大于空氣的，且模擬時織物放置環境的初始相對濕度為65%，環境水分由芯吸進入纖維內部成為結合水，在高溫情況下，結合水逐漸轉變為自由水，自由水蒸發為水蒸氣，此過程將吸收大量熱量，隨著織物表面溫度不斷升高，水分逐漸消耗，織物內部儲存熱量達到限值，且熱導率隨著溫度的增加而增大，從而使靠近受熱面的織物熱量傳遞加快；當空氣層位于O-M層時，由于空氣層的隔熱作用，使傳遞至內層織物的熱量減少，從而使內層織物隔熱作用時間延長，且隨著空氣層厚度的增加，由于導熱和對流損失的熱量增多。

圖4 表皮層表面溫度隨空氣層厚度變化曲線Fig.4 Temperature versus air gap thickness on epidermal surface at 100 s

圖4示出100 s時刻空氣層位置不同時，皮膚表皮層表面溫度隨空氣層厚度變化曲線。由圖可知，隨著空氣層厚度的增大，皮膚表面溫度逐漸降低。當空氣層位于C-S區域，空氣層厚度相同時，表皮層表面溫度高于空氣層位于O-M區域時。由此可知，當空氣層位于O-M區域時，其隔熱效果優于位于C-S區域。

圖5 空氣層位置不同時空氣層內溫度差隨時間變化曲線Fig.5 Temperature difference between different air gap positions

圖5示出25 s后空氣層位置不同時空氣層內溫度差隨時間變化曲線。由圖可知，當空氣層厚度為1～6 mm時，溫度差隨著空氣層厚度的增大而增大。當空氣層厚度為7～10 mm時，溫度差隨著空氣層厚度的增大而降低。當空氣層厚度為6 mm時，100 s之前，溫度差最大，隨著時間的推移，溫度差逐漸降低。這主要是因為當空氣層厚度較小時，內部傳熱模式主要為傳導，當厚度增大時，空氣層內傳熱模式逐漸由導熱過渡到對流，當空氣層厚度為5～6 mm時，傳導、對流共存。

圖6 空氣層位置與厚度不同時人體皮膚燒傷時間Fig.6 Maximum durations of heat before getting first and second-degree burns with different air gap location

圖6示出空氣層位置厚度不同時人體皮膚燒傷時間。

由圖可知，隨著空氣層厚度增大，人體皮膚Ⅰ度燒傷及Ⅱ度燒傷時間延長。當空氣層位于C-S區域時，人體皮膚燒傷時間與空氣層厚度成線性關系；當空氣層位于O-M區域，空氣層厚度小于7 mm時，人體皮膚燒傷時間與空氣層厚度亦成線性關系，當空氣層厚度為7～8 mm時，人體皮膚燒傷時間出現較大延遲。由上文的分析可知，當空氣層厚度大于7 mm時，空氣層內部傳熱模式主要為對流作用，對流作用下可增大熱量損失。當空氣層厚度相同時，位于O-M區域，人體皮膚燒傷時間較之位于C-S區域時延遲。為不影響消防員救援時的靈活性，要求戰斗服不能限制人體活動，通常情況下衣物較為寬松[25]，從而致使人體皮膚與戰斗服舒適層之間存在一定的空氣層，且身體不同部位空氣層厚度不同[1-3]。其中肩部、上背、膝蓋等部位衣物緊貼皮膚，空氣層厚度最小；小腿處空氣層厚度最大，可達到85 mm。根據本文的研究結果，應加強肩部、上背、膝蓋等部位的保護，增大這些部位戰斗服外層與防水層之間空氣層的厚度。

3 結 論

本文基于織物熱濕傳遞多孔介質模型，建立消防戰斗服多層材料-皮膚系統熱濕耦合模型，研究空氣層厚度為1～10 mm，位于外層與防水層之間及位于舒適層與皮膚之間時，對其隔熱性能的影響，最后計算不同條件下人體皮膚燒傷時間，所得結論如下：

1)空氣層厚度相同時，當空氣層位于O-M區域時隔熱效果優于位于C-S區域的情況；當O-M區域空氣層厚度大于7 mm時，材料系統的隔熱效果極大提高；

2)對于消防戰斗服的設計，可考慮在肩部、上背等空氣層厚度較小的區域，外層與防水層之間增加孔隙率大、密度低的多孔材料，以增大這些部位的空氣厚度，提高其隔熱性能；對于大腿、小腿等皮膚與舒適層之間空氣層厚度較大的區域，應在不影響活動性的基礎上，盡量減小這些部位衣服的尺寸；

3)后續研究繼續增大空氣層厚度，研究空氣層厚度大于10 mm時，體系隔熱性能及人體皮膚燒傷時間。

FZXB

[1] LU Y, LI J, LI X, et al. The effect of air gaps in moist protective clothing on protection from heat and flame[J]. Journal of Fire Sciences, 2013, 31(2): 99-111.

[2] SONG G. Clothing air gap layers and thermal protective performance in single layer garment[J]. Journal of Industrial Textiles, 2007, 36(3): 193-205.

[3] KIM Y, LEE C, LI P, et al. Investigation of air gaps entrapped in protective clothing systems[J]. Fire and Materials, 2002, 26(3): 121-126.

[4] CHITRPHIROMSRI P, KUZNETSOV A V. Modeling heat and moisture transport in firefighter protective clothing during flash fire exposure[J]. Heat and Mass Transfer, 2005, 41(3): 206-215.

[5] CHITRPHIROMSRI P. Porous medium model for investigating transient heat and moisture transport in firefighter protective clothing under high-intensity thermal exposure[J]. Journal of Porous Media, 2005, 8(5):511-528.

[6] CHITRPHIROMSRI P. Modeling of Thermal performance of firefighter protective clothing during the intense heat exposure[D]. Raleigh: North Carolina State University, 2005:53-65.

[7] SONG G. Modeling thermal protection outfits for fire exposures[D]. Raleigh: North Carolina State University, 2002:40-51.

[8] SONG G, BARKER R L, HAMOUDA H, et al. Modeling the thermal protective performance of heat resistant garments in flash fire exposures[J]. Textile Research Journal, 2004, 74(12): 1033-1040.

[9] SONG G, BARKER R, THOMPSON D, et al. Effects of simulated flash fire and variations in skin model on mannikin fire test[J]. Journal of ASTM International, 2004, 7(4): 219-226.

[10] HE S, HUANG D M, QI Z K, et al. The effect of air gap thickness on heat transfer in firefighters′protective clothing under conditions of short exposure to heat[J]. Heat Transfer Research, 2012, 43(8): 749-765.

[11] ZHU F L, ZHANG W, SONG G. Heat transfer in a cylinder sheathed by flame-resistant fabrics exposed to convective and radiant heat flux[J]. Fire Safety Journal, 2008, 43(6): 401-409.

[12] ZHU F L, ZHANG W Y. Modeling heat transfer for heat-resistant fabrics considering pyrolysis effect under an external heat flux[J]. Journal of Fire Sciences, 2009, 27(1): 81-96.

[13] 朱方龍, 樊建彬, 馮倩倩, 等. 相變材料在消防服中的應用及可行性分析[J]. 紡織學報, 2014, 35(8): 124-132. ZHU F L, FAN J B, FENG Q Q, et al. Application and feasibility analysis of phase change materials for fire-fighting suit [J]. Journal of Textile Research, 2014, 35(8): 124-132.

[14] PENNES H H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm[J]. Journal of Applied Physiology, 1998, 85(1): 5-34.

[15] HENRIQUES J R. Studies of thermal injury; the predictability and the significance of thermally induced rate processes leading to irreversible epidermal injury[J]. Archives of Pathology, 1947, 43(5): 489-502.

[16] MELL W E, LAWSON J R. A heat transfer model for firefighters′protective clothing[J]. Fire Technology, 2000, 36(1): 39-68.

[17] CARTER J, WILKINSON D, RICHMOND V, et al. Physiological assessment of firefighters undertaking urban search and rescue [C]// IGOR B, MEKJAVIC, S N, KOUNALAKIS N A, et al. Proceedings of the 12th International Conference on Environmental Ergonomics. Piran Slovenia: Jozef Stefan Institute University of Wollongong Ljubljana, 2007: 627-630.

[18] TAKATA A. Development of criterion for skin burns[J]. Aerospace Medicine, 1974, 45(6): 634-637.

[19] ZHU F L, ZHANG W Y. Evaluation of thermal performance of flame-resistant fabrics considering thermal wave influence in human skin model[J]. Journal of Fire Sciences, 2006, 24(6): 465-485.

[20] 陶文銓.傳熱學[M].西安: 西北工業大學出版社, 2006:546-547. TAO Wenquan. Heat Transfer[M]. Xi′an: Northwestern Polytechnical University Press, 2006:546-547.

[21] ANDERSSON P, HOLMSTEDT G. Heat sensing manikin test probe[J]. Fire and Materials, 2000, 24(4): 195-199.

[22] GOWRISHANKAR T R, STEWART D A, MARTIN G T, et al. Transport lattice models of heat transport in skin with spatially heterogeneous, temperature-dependent perfusion[J]. Biomedical Engineering online, 2004, 3(1): 1-17.

[23] TORVI D A, DALE J D. A finite element model of skin subjected to a flash fire[J]. Journal of Biomechanical Engineering, 1994, 116(3): 250-255.

[25] 陳曉鵬, 孟瑾. 消防服上裝結構分析和調整[J]. 紡織學報, 2012, 33(4): 106-109. CHEN Xiaopeng, MENG Jin.Analysis and adjustment of top wear structure of firefighting suit [J]. Journal of Textile Research, 2012, 33(4): 106-109.

Influence of air gap position on heat insulation performance of firefighters′ protective clothing

HUANG Dongmei1,2，HE Song3

(1.CollegeofQualityandSafetyEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofFurnitureInspectionTechnologyofZhejiangProvince,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 3.StateKeyLaboratoryofFireScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui230027,China)

To investigate the influence of air gap position on the heat insulation performance of the firefighters′ protective clothing, a fabric-air gap-skin system heat and moisture transfer model was developed based on the fabric heat and moisture transfer porous medium model. Temperature variations on the inner and outer surfaces of the sample were monitored when the air gap is located between the outer layer and the moisture layer and between the comfort layer and the human skin at the same thickness of 1-10 mm. Then the maximum duration of heat before subjecting to first and second-degree burns were calculated by the Henriques equation based on the bio-heat transfer equation. The results show that, the thermal insulation performance of the fabric-air gap system when the air gap is located between the outer and moisture layer was better than that when that located between the comfort layer and the human skin at the same thickness. And the time before human skin subjecting to first and second-degree burns was also prolonged when the air gap is located between the outer layer and the moisture layer, especially when the air gap thickness is greater than 7 mm. Therefore, the air gap between the outer layer and the moisture layer should increased when the firefighters′ protective clothing was designed. And it should be designed separately for different parts of the human body.

firefighters′ protective clothing; thermal insulation performance; numerical simulation; skin; burn injury time

10.13475/j.fzxb.20140804307

2014-08-20

2015-05-27

國家自然科學基金資助項目(51306168)

黃冬梅(1984—)，女，講師，博士。研究方向為消防員個人防護裝備。E-mail：20021567@163.com。

TS 941.731

A