基于多層織物熱傳遞模型的高溫作業服厚度設計

王紫葉 龔文喆 郭祎達

摘 要：針對高溫作業服各層織物厚度設計問題，建立基于服裝舒適度的厚度優化模型。用衣服的重量和松緊度衡量衣服的舒適度，以服裝舒適度最大化作為目標函數，以高溫工作期間不發生燙傷的情況構建約束條件，根據三層織物、一層空氣層以及兩層皮膚組織的密度、比熱、熱傳導率和厚度，分別對六層介質建立熱傳導方程，采用有限差分格式求解人體外表皮溫度，再運用擬牛頓算法求解基于服裝舒適度的厚度優化模型，最終第Ⅱ層織物的最優厚度為19.8mm，空氣層的最優厚度為3.2mm。

關鍵詞：基于服裝舒適度的厚度優化模型;有限差分格式;擬牛頓算法

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.09.091

1 引言

高溫作業服近些年被廣泛關注，消防、礦藏勘探及開采這些高溫作業行業都需要專用的服裝來避免工作人員在工作時被熱蒸汽及各種高溫環境所灼傷。因此研究高溫作業的專用服裝對于保障工作人員高溫作業安全并提供良好的舒適度具有非常重要的意義。

關于高溫作業服的設計，國內外學者從高溫防護服材料和服裝防護性能對高溫作業服進行了設計研究。文獻[1]對防護服熱輻射防護性能進行測試，并研究了皮膚與織物之間的空氣層對熱阻的影響。文獻[2]針對單層熱防護服裝織物以及“熱防護服裝-空氣層-皮膚”系統建立了高溫環境下的熱傳遞數學模型并且對服裝空氣層厚度進行了優化研究。文獻[3]采用有限元軟件 ANSYS 建立織物與空氣層的組合模型，并從織物種類、空氣層厚度、對流條件三個方面對不同的模型進行瞬態傳熱模擬，同時探索了空氣等效導熱系數的增大對熱量傳遞的影響。以上都沒有對多層織物材料的高溫作業服進行多層材料厚度優化。

本文建立了基于服裝舒適度的厚度優化模型，采用有限差分格式求解人體外表皮溫度，運用擬牛頓算法求解兩層材料的最優厚度。

2 基于服裝舒適度的厚度優化模型

為了使高溫作業服能達到防燒傷的要求，并且提供更好的衣服舒適性，以高溫作業服的重量及其厚度作為評價因子對高溫作業服舒適程度進行評價，以高溫作業服裝舒適程度最大為目標建立單目標優化模型，目標函數如下：

maxHx2，x4=x22.5+3.2-x43.2

式中，ρ2、ρ4分別為Ⅱ層、Ⅳ層材料密度;x2、x4分別為Ⅱ層、Ⅳ層材料厚度。

約束條件1：人體皮膚外側溫度不超過47℃，即

Tltar，t47℃

式中，ltar為皮膚位置。

約束條件2：人體皮膚外側溫度超過44℃的時間不超過5分鐘，即

st;Tltar，t>44℃<300

約束條件3：利用熱傳導模型[4-6]求得人外表面溫度，有

Tn+1i=Tni+kpΔtρpcpΔx2Tni+1-2Tni+Tni-1 ，p=1，2，3，4，5，6

式中，ρp為p層材料密度;cp為p層材料比熱;kp為p層材料熱傳導率;lp為p層材料厚度，其中p=1，2，3，4。ρ5為內皮膚密度;c6為內皮膚比熱;k6為內皮膚熱傳導率;l6為內皮膚厚度。ρ6為皮下組織密度;c6為皮下組織比熱;k6為皮下組織熱傳導率;l6為皮下組織厚度。

約束條件4：外界環境恒定為

T0，t=80℃

約束條件5：人體皮膚內側溫度恒定為

Tltar+lin，t=37℃

約束條件6：人體在穩定環境下總時間為

t0=1800

綜上可得，單目標優化模型：

maxH（x2，x4）=x22.5+3.2-x43.2

s.t.Tltar，tSymbolcB@

47℃st;Tltar，t>44℃<300T0，t=80℃Tltar+lin，t=37℃Tn+1i=Tni+kpΔtρpcpΔx2（Tni+1-2Tni+Tni-1），（p=1，2，3，4，5，6）t0=1800

3 服裝厚度的求解

為設計防高溫、高性能、輕薄的防護服，當高溫工作環境溫度為80℃ 時，確保高溫工作30分鐘內人體皮膚外側不發生燙傷。人皮膚外側溫度不超過47℃，且超過44℃ 的時間不超過5分鐘。假設高溫作業服的各層織物材料均勻，初始室溫為 25℃，高溫作業環境溫度不發生變化，人體皮膚內溫度維持在37℃。由文獻[2]可知，人的內皮膚密度為1200kg/m3，內皮膚比熱為3600Jkg-1K-1，內皮膚熱傳導率為0.532W/moC，內皮膚厚度為10mm。人的皮下組織密度為1000kg/m3，皮下組織比熱為3600Jkg-1K-1，皮下組織熱傳導率為0.167W/m℃，皮下組織厚度為50mm。高溫防護服各層織物材料參數如表 ，已知Ⅰ層織物厚度0.6mm，Ⅲ層織物厚度3.6mm，通過MATLAB，運用擬牛頓算法，求解基于服裝舒適度的厚度優化模型，確定II層和IV層的最優厚度。

由高溫作業服各層織物的參數值可以看出，第Ⅱ層的厚度較大，因為它的比熱容和熱傳導率都比較大，具有很強的散熱能力，并且它處于防熱服裝的最外層，因此很容易接觸到外界環境的熱量，需要較大的厚度對所吸收的熱量進行散出，以達到保護工作人員的作用，但是查表可知，第Ⅱ層的厚度也不能沒有限制的增大，因為它的密度很大，會使服裝變得很重，那么工作人員在進行高溫作業時會很不方便。同樣第Ⅳ層為空氣層，熱傳導率和比熱都很低，散熱能力很差，因此它的厚度越短越好，然而它的密度卻很低，說明它的存在不會對工作人員的著裝舒適感帶來較大的干擾，具體各層分布圖如圖1。

4 結論

（1）建立了基于服裝舒適度的厚度優化模型，可以得到各層介質橫截面上任意點、任何時刻的瞬態溫度，并且在滿足一定條件下，第Ⅱ層織物的最優厚度為19.8mm，空氣層的最優厚度為3.2mm。

（2）模型對服裝設計具有實用性，可以用在其他溫度條件下，減小高溫工作者身體負擔，減低工作危險性，提高高溫工作者工作體驗。

（3）模型還可用在其他防高溫裝備上，降低危險行業的危險系數，增強國家防護安全的發展。

參考文獻

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