高溫作業專用服裝傳熱問題的研究

張夢童 魏月超 羅建春 李俊松

摘 ? 要：本文針對高溫作業專用服裝設計的問題進行探討，運用了傅里葉熱傳導定律、拉普拉斯變換方法和窮舉法，建立了半無限長細桿導熱模型、基于MATLAB窮舉法的厚度優化模型，得出了高溫工作服四層材料（包括人體與服裝間隙）在高溫環境下的溫度分布求法以及在給定的溫度環境和工作時間限制下，確定滿足實際科研目標的一層及多層可變材料最優厚度的有效方法，提出合理的厚度優化建議。

關鍵詞：溫度分布 ?傅里葉熱傳導定律 ?拉普拉斯變換 ?半無限長細竿導熱模型 ?厚度優化

中圖分類號：O551.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（a）-0117-02

高溫作業專用服裝是指能夠保護在極端天氣（高溫或超高溫）和特殊場所的工作人員，減少職業傷害的服裝。人在高溫環境中工作，往往會導致中暑等機體功能失調的熱致疾患，所以高溫作業專用服裝的研究可謂非常迫切[1]。為了降低研發成本、縮短研發周期，需要利用數學模型來確定假人在高溫環境中穿著的服裝各層材料溫度變化情況，并解決不同要求下中間層可變層的最佳厚度等實際問題。

高溫作業專用服裝通常由三層織物材料構成，記為I、II、III層，其中I層與外界環境接觸，III層與皮膚之間還存在空隙，將此空隙記為IV層。這四層材料由外到內的分布情況如圖1由左到右所示。

各層密度、比熱容、熱傳導率、厚度已知的前提下，可以由某一環境溫度下，一段時間內開展實驗測量所得的假人皮膚外側的溫度表，建立數學模型[2]，計算整件衣服的溫度分布。

由條件將以上方程組中時間t取t2和t1，建立了厚度優化模型，利用MATLAB結合窮舉法，按照規定步長調整第II層材料厚度，分別迭代計算出環境溫度下對應的系統溫度分布，篩選求出符合題目要求的II層厚度可取值的集合A和B。最后根據實際科研與生產需求，選擇交集中d2的最小值作為所求II層材料的最優厚度[4]。

將上述數學模型稍作修改還可以計算某兩層材料（如第II層和IV層）可變時分別的最佳厚度，確保給定工作時間中的某一長度時間[t1，t2]內，假人皮膚外側溫度在維持在一定范圍內。利用以上方程組，借助MATLAB，按照規定步長調整第II層和IV層材料厚度，采用窮舉法可迭代求解出各自的集合，再取得最優質厚度。

參考文獻

[1] 李紅彥，孫成勛，朱寶余，等.夏季高溫環境戶外作業服的熱功能設計方法[J].西南師范大學學報：自然科學版，2016（6）：146-151.

[2] 徐美.幾個典型的數學物理方程的物理解讀[J].物理通報，2017（6）：33-35，39.

[3] 潘斌.熱防護服裝熱傳遞數學建模及參數決定反問題[D].浙江理工大學，2017.

[4] 石宏亮，崔建偉.高溫工作服面料隔熱性能研究[J].上海紡織科技，2001（4）：51-53.