特定環境下高溫作業專用服裝溫度分布探究

霍玉蓉 周羽佳 楊偉豪

摘要：高溫作業服可以保障作業人員不被灼傷，還可以提高作業人員的工作效率。本文根據溫度與已知量之間的聯系建立非穩態熱傳導模型，利用逐步遞推的方式確定高溫作業服各層的溫度分布，最終得到結論為高溫作業服務各層的溫度分布較為合理，變化趨勢整體相似，并且對模型進行了評價。

關鍵詞：高溫作業服;熱傳導率;溫度分布

中圖分類號：TS941.2 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2019）015-0407-01

一、數據采源

本文選用2018年全國大學生數學建模比賽A體重的數據進行分析說明，主要運用附件1給出的專用服裝材料的參數值和附件2給出假人皮膚外側的測量的溫度值進行分析。其中附件2的數據是在環境溫度為75、Ⅱ層厚度為6mm、IV層厚度為5mm、工作時間為90分鐘的情形時，對體內溫度控制在37℃的假人皮膚外側的溫度進行測量并記錄得到的。

二、模型假設

求解問題前需要對模型進行整體層面的假設以及對主要符號變量進行一定的解釋說明。

假設：不考慮高溫作業服每層材料的內能和熱量的散失情況，并且假人的人體溫度對服裝材料的溫度沒有影響;假設熱量先全部累積，再向下一層傳遞，并且不考慮熱對流與熱輻射;假設高溫作業服材料質量分布均勻。

三、建立模型

分析題目已知條件，建立非穩態的熱傳導模型，根據推導出的高溫作業服每層溫度與作業服初始溫度之間的函數關系逐步計算出高溫作業服各層隨時間的變化而變化的溫度分布。

1.確立目標函數

根據題目，我們得到高溫作業服總共有4層，分別計算每層的溫度分布，我們把每層內部的熱傳導視為穩態傳導，進行近似計算。整體上視為非穩態傳導。先進行單層材料熱傳導的分析，以高溫作業服最外層為例，畫圖進行分析。首先明確假設高溫作業服的初始溫度為To，Ti+1表示第i層的溫度，其中T1表示外界環境的溫度，T5表示假人皮膚外側的溫度，即i的從小到大表示高溫作業服從外到內的溫度，并且用層間的交界處的溫度來代表第i層的溫度，具體表示為用I和Ⅱ層的交接處的溫度代表1層溫度，即T2，以此類推。由單層材料的熱傳導目標函數推廣到高溫作業服四層材料的熱傳導，如圖1所示。

五、結果分析

為了使結果更加直觀，繪制出了特定環境下高溫作業服各層層溫度隨時間變化的分布曲線圖，

根據圖片中信息不難發現I層和Ⅱ層之間的溫度變化趨勢為最初時間溫度幾乎保持不變，在接近40秒時，I層的溫度突然增加至70℃左右，后續一直保持平穩狀態，推測高溫作業服的最外側材料的比熱容比較大，因此溫度會呈現為這樣的變化曲線;而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層的溫度分布的規律略有些相似，大體上均為前800秒時迅速增加至一個固定溫度，后續時間溫度的變化趨于平穩。

六、結語

通過建模計算和繪圖分析，我們發現特定環境下的高溫作業服每一層的溫度分布大致相似，溫度都是先忽然增加然后趨于平穩。但是越接近人體體表溫度就會越低，從而減輕了外界環境對作業人員的影響，因此在未來高溫作業服的研發過程中可以重視使用領域的拓寬，將高溫作業服應用到不同的生產生活中。

其次，本文中使用的模型沒有考慮到熱傳導過程中熱量散失的問題以及人體溫度變化對高溫作業服所帶來的影響，因此存在一定的誤差，在后續的研究中要考慮到這些因素。