相變材料低溫御寒仿真模型研究

唐韻清 丁聕天 徐 婧 王一諾 馬 瑞

（山東科技大學(xué)濟(jì)南校區(qū)財(cái)經(jīng)系,山東 濟(jì)南250031）

在一些低溫的環(huán)境中,人們需要穿著低溫防護(hù)服才能夠完成作業(yè),從而實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下的正常工作,對(duì)于低溫防護(hù)服的研究是非常重要的,防護(hù)服最大承受重量為100KG,在時(shí)間每增加10s 的情況下,最大承受重量將會(huì)下降0.5KG,對(duì)于防護(hù)服進(jìn)行厚度的計(jì)算使其能夠堅(jiān)持較長時(shí)間,在不增加資金的情況下增加戶外運(yùn)動(dòng)量,計(jì)算中間功能放熱能力的實(shí)際提升幅度來保證其能夠堅(jiān)持較長時(shí)間,通過對(duì)于低溫下的防護(hù)服進(jìn)行研究與模擬將可以建立更為合理的模型來優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

1 問題分析

首先,本文建立傳熱模型,對(duì)于實(shí)際情況下實(shí)驗(yàn)者的熱量傳遞進(jìn)行分析,從而能夠得到室外與身體的熱量交互過程能夠得到其實(shí)時(shí)的溫度,建立相關(guān)模型來更加有效地預(yù)估實(shí)際堅(jiān)持的時(shí)間。加入風(fēng)速條件,對(duì)于前文模型盡心改進(jìn),在此基礎(chǔ)上對(duì)于熱量的散失等過程來完成模擬,從而能夠再次優(yōu)化其時(shí)間。其次,實(shí)驗(yàn)者在穿著防護(hù)服的情況下的預(yù)測方式進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)于在較長時(shí)間的運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的重量影響來完成對(duì)于其有效厚度的優(yōu)化,使其能夠滿足于當(dāng)前的條件。最后,對(duì)于其戶外運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行模擬,對(duì)于中間功能層部分的放熱能力來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,從而能夠保障其在室外的堅(jiān)持時(shí)間不會(huì)降低,從而能夠讓其在較為寒冷的環(huán)境中堅(jiān)持較長時(shí)間。

2 模型的建立與求解

環(huán)境溫度與平衡熱流密度、熱調(diào)節(jié)能力存在極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總散熱量存在極顯著線性正相關(guān)關(guān)系,相變材料用量與平衡熱流密度存在極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,與總散熱量、熱調(diào)節(jié)能力存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系,相變溫度與平衡熱流密度、總散熱量、熱調(diào)節(jié)能力都存在極顯著線性正相關(guān)關(guān)系。模擬環(huán)境下的測試結(jié)果也存在不同,防護(hù)服的面料、結(jié)構(gòu)和工藝等均影響到其整體隔熱性能。防護(hù)服裝的全面評(píng)價(jià)通常涉及安全性、工效學(xué)特性等多個(gè)方面,有必要從服裝的舒適性、工效學(xué)特性等方面進(jìn)一步研究,并開展大規(guī)模的現(xiàn)場人體穿著實(shí)驗(yàn),從而為高低溫防護(hù)服的選用和設(shè)計(jì)改進(jìn)等提供依據(jù)。在一些低溫的環(huán)境中,人們需要穿著低溫防護(hù)服才能夠完成作業(yè),從而實(shí)現(xiàn)在低溫環(huán)境下的正常工作,對(duì)于低溫防護(hù)服的研究是非常重要的。為了對(duì)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)際熱量傳遞過程進(jìn)行計(jì)算,建立熱傳導(dǎo)模型,從而能夠完成熱量傳遞過程的模擬,其具體的模型應(yīng)當(dāng)如下,假設(shè)厚度為d 的防護(hù)服,兩側(cè)溫度差為ΔT,熱量Q 與ΔT 成正比,與d 成反比,即：

其中k=λtA,為熱傳導(dǎo)系數(shù)。λ 為導(dǎo)熱系數(shù),t 為傳導(dǎo)時(shí)間。防護(hù)服單位時(shí)間單位面積的熱量傳導(dǎo)為：

多層防護(hù)服單位時(shí)間單位面積的熱量傳導(dǎo)為：

對(duì)于防護(hù)服的最終熱量傳遞效能進(jìn)行計(jì)算時(shí),取k1/k2=16,得：

對(duì)于其風(fēng)速條件進(jìn)行加入,對(duì)于模型進(jìn)行改進(jìn),在此基礎(chǔ)上對(duì)于熱量的散失等過程來完成模擬,從而能夠再次優(yōu)化其時(shí)間。風(fēng)速與最終停留時(shí)間的下降幅度有著密切的關(guān)系,在風(fēng)速為3m/s 時(shí),其應(yīng)當(dāng)在活動(dòng)2 分鐘后即要準(zhǔn)備返回,避免出現(xiàn)溫度過低的問題。由此就可以得到在無風(fēng)情況下實(shí)驗(yàn)者溫度的最終傳遞過程,為了計(jì)算得到其合理化的時(shí)間,對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,其主要方式是通過傳熱過程來計(jì)算得到每一時(shí)刻人體表面的最終溫度,使其滿足于最低條件。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化,從而能夠得到較為合理的時(shí)間。

圖1 隔熱效果優(yōu)化

通過計(jì)算與優(yōu)化,可以通過迭代的方法計(jì)算得到其最大值,從而明確可停留的時(shí)間。

表1 持續(xù)時(shí)間優(yōu)化

可以看出,在此條件之下,可以在戶外停留的時(shí)間為191s左右,在超出這個(gè)時(shí)間后,身體溫度將會(huì)下降到15℃以下,從而無法完成更進(jìn)一步的其他工作,因此該時(shí)間即為環(huán)境溫度在-40℃情況下的停留最長時(shí)間。在實(shí)際的工作過程當(dāng)中,室外應(yīng)當(dāng)是有風(fēng)的,因此還需要進(jìn)一步考慮空氣對(duì)流的情況,考慮到防護(hù)服外部與內(nèi)部的對(duì)流計(jì)算后才能夠使得最終的溫度分布更為科學(xué)合理,因此需要對(duì)于模型進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的模式即為在原有基礎(chǔ)上增加風(fēng)力條件,考慮風(fēng)力給多層防護(hù)服所帶來的影響。在風(fēng)力為3m/s 的情況下,其應(yīng)當(dāng)被優(yōu)化為：

風(fēng)速與最終的持續(xù)時(shí)間下降幅度應(yīng)當(dāng)存在著一定的關(guān)聯(lián),對(duì)于原有計(jì)算模式進(jìn)行分析,從而能夠得到風(fēng)速與下降幅度的關(guān)系,明確其變化趨勢。對(duì)于無風(fēng)的條件下,需要考慮到實(shí)驗(yàn)者的防護(hù)服還需要一定的厚度,身體在承受時(shí)間較長時(shí)就會(huì)出現(xiàn)下降,每增加10s,就會(huì)降低一定的最大承受重量,因此需要對(duì)于防護(hù)服的厚度來進(jìn)行優(yōu)化,從而避免其由于時(shí)間過久而無法承受防護(hù)服的重量。要保證其資金不會(huì)超出原有的1.5 倍,同時(shí)盡量增加其在外停留的時(shí)間。其有效的解決方法應(yīng)當(dāng)分別為隔熱層和內(nèi)層增加到0.4mm 和0.8mm,此時(shí)可以在資金允許的情況下提升其在室外的時(shí)間,最終時(shí)間將達(dá)到235s,有著較大幅度的提升,能夠滿足當(dāng)前的需求。測試低溫環(huán)境中,相變防護(hù)服的防護(hù)時(shí)間,同時(shí)測試了皮膚溫度、微氣候溫度、口腔溫度以及人體主觀熱感覺。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)值與計(jì)算數(shù)值比較,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果有很好的一致性,低溫環(huán)境下,人體處于站立靜止或輕微活動(dòng),無風(fēng)無太陽輻射作用時(shí),防護(hù)服的防護(hù)時(shí)間的計(jì)算公式適用,為了在不增加資金的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)于其防護(hù)服的優(yōu)化,就需要提升中間層的放熱能力,在當(dāng)前的條件下,對(duì)于其隔熱層的效果進(jìn)行分析,通過優(yōu)化可以得到其應(yīng)當(dāng)提升的放熱能力幅度。在這樣的放熱能力條件下,能夠保證其時(shí)間不低于原有優(yōu)化的時(shí)間,此時(shí)放熱能力應(yīng)當(dāng)達(dá)到原有材料的3倍以上。模型能夠?qū)τ诜雷o(hù)服的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使其能夠滿足于實(shí)際條件同時(shí)控制成本,在相關(guān)環(huán)境下都能夠盡量提升在室外的停留時(shí)間,同時(shí)由于計(jì)算量較為復(fù)雜,因此還需要對(duì)于算法進(jìn)行更進(jìn)一步的設(shè)計(jì)。模型在對(duì)于相關(guān)防護(hù)服設(shè)計(jì)等問題時(shí)可以進(jìn)行推廣,通過這樣的模式來完成優(yōu)化,從而讓溫度等條件能夠得到滿足,有利于實(shí)際生產(chǎn)與工作。

3 結(jié)論

在低溫的環(huán)境中人們需要穿著低溫防護(hù)服才能夠完成作業(yè),因此對(duì)于低溫防護(hù)服的研究是非常重要的。首先建立傳熱模型,從室外與身體的熱量交互過程得到當(dāng)時(shí)的溫度,然后對(duì)風(fēng)速熱量的散失等過程來完成模擬,其次對(duì)于在較長時(shí)間的運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生的重量影響來完成對(duì)于其有效厚度的優(yōu)化,使其能夠滿足于當(dāng)前的條件。最后在對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行模擬,從而能夠保障其在室外的堅(jiān)持時(shí)間不會(huì)降低,能夠讓其在較為寒冷的環(huán)境中堅(jiān)持較長時(shí)間。