高溫作業(yè)專用服裝的設(shè)計(jì)與研究

易靜姝

摘? 要：針對高溫作業(yè)專用服裝的設(shè)計(jì)問題，根據(jù)所給數(shù)據(jù)建立了相應(yīng)的偏微分方程數(shù)學(xué)模型，以第二層最小厚度為目標(biāo)函數(shù)，在約束條件的基礎(chǔ)上，建立了單目標(biāo)優(yōu)化模型。利用MATLAB遺傳算法工具箱對該模型進(jìn)行求解，得到了高溫作業(yè)專用服裝的最優(yōu)厚度。

關(guān)鍵詞：熱傳導(dǎo);偏微分方程;目標(biāo)優(yōu)化;遺傳算法

中圖分類號：TS941.2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）11-0082-02

Abstract： In order to solve the design problem of special clothing for high temperature operation， the corresponding mathematical model of partial differential equation is established according to the given data. taking the minimum thickness of the second layer as the objective function， the single objective optimization model is established on the basis of constraint conditions. The MATLAB genetic algorithm toolbox is used to solve the model， and the optimal thickness of the special clothing for high temperature operation is obtained.

Keywords： heat conduction; partial differential equation; objective optimization; genetic algorithm

引言

人們在高溫環(huán)境中工作時(shí)，為了避免高溫傷害，往往需要身著專用服裝。高溫作業(yè)專用服裝常由三層織物構(gòu)成，其隔熱效果對于工作人員的工作效率和身體狀況有著至關(guān)重要的影響。因此，在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，需要確定每層織物的厚度，使服裝起到良好的隔熱效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本最低化。

1 問題分析

現(xiàn)將身著高溫作業(yè)服的假人置于高溫環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。假設(shè)實(shí)驗(yàn)中所使用的服裝共有3層織物，即最外層為第1層，最內(nèi)層為第3層。由于最內(nèi)層與假人之間還有一層空氣層，可將其記為第4層。假人體溫為37℃，環(huán)境溫度為65℃。已知服裝織物的某些參數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)需確定第2層厚度，使得60分鐘后假人皮膚表面溫度低于47℃，超過44℃的時(shí)間低于5分鐘。

2 模型的建立與求解

熱量的傳遞方式通常有三種：熱傳導(dǎo)，熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是指相互接觸的物體之間或物體內(nèi)部的各部分之間因微粒的熱運(yùn)動而引發(fā)的熱量傳遞現(xiàn)象。熱對流是指流體各部分之間發(fā)生的冷熱流體相互摻混的熱量傳遞過程。熱輻射則是指物體因受熱而向外輻射能量的現(xiàn)象[1]。本題中，由于作業(yè)環(huán)境溫度不高，故通過輻射所傳遞的能量與其他兩種形式相比可以忽略。

第1層雖然與外界空氣接觸，但此處將環(huán)境簡化為溫度分布均勻的理想模型，因此不存在熱對流，空氣與第1層之間的熱傳遞形式主要為熱傳導(dǎo)。假定織物不因高溫而發(fā)生形變，層與層之間不出現(xiàn)空氣間隙，則第2層與第3層、第3層與第4層之間的主要傳熱形式也均為熱傳導(dǎo)。第4層為空氣層，其最大厚度不超過6.4mm[2-4]，由于空間狹小，難以發(fā)生對流，故其熱傳遞形式也主要為熱傳導(dǎo)。

盡管高溫作業(yè)專用服裝的厚度越大，其防護(hù)性能越好，但是防護(hù)服一般有其厚度上的要求。過厚的作業(yè)服裝不僅影響工作人員的穿著和運(yùn)動，也會影響人體汗液的蒸發(fā)， 造成透氣性差。另外，在防護(hù)服厚度達(dá)到一定的值后，再增加厚度對于隔熱已沒有顯著影響。此時(shí)，隔熱服的生產(chǎn)成本會大大增加。3 結(jié)束語

本文通過建立熱量在高溫作業(yè)專用服裝中的傳遞模型，利用MATLAB求解，確定了織物的最小厚度，對于高溫作業(yè)服裝的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

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