基于有限差分法的高溫作業(yè)專用服裝設(shè)計

劉明

摘 要：消防和金屬煉鋼等行業(yè)中，工作人員在高溫環(huán)境工作需要穿著專用服裝，其通常是由三層織物材料組成，為了設(shè)計更合理的多層熱防護(hù)服，本文將用37oC恒溫假人置于高溫環(huán)境下展開實驗，通過大量數(shù)據(jù)分析，根據(jù)熱力學(xué)傅里葉定律，采用顯熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化的經(jīng)驗公式，研究多層熱防護(hù)服、空氣層和假人的熱傳導(dǎo)過程，分析實際情況下高溫環(huán)境與織物層、織物層與織物層、織物層與空氣層、空氣層與假人之間的熱傳導(dǎo)的初始條件和邊界條件，建立一維非線性常系數(shù)偏微分拋物型方程組，采用有限差分法求解。對熱防護(hù)專業(yè)服裝進(jìn)行研究，確定熱防護(hù)服各層溫度分布情況。為熱防護(hù)服的功能性設(shè)計提供理論參考。

關(guān)鍵詞：多層熱防護(hù)服：熱傳遞模型：有限差分法

消防等行業(yè)的工作人員在高溫環(huán)境下工作，皮膚容易受到熱損傷，熱防護(hù)服是指在高溫中穿用的、能夠促使人體熱量散發(fā)，防止熱中暑、燒傷和灼傷等危害的個體防護(hù)服裝。熱防護(hù)服在擁有普通防護(hù)服性能的同時，更具備人體在高溫下進(jìn)行安全防護(hù)的功能。熱防護(hù)服的原理就是減緩熱轉(zhuǎn)移的速度，使熱量在人體皮膚上的盡少積聚，以保護(hù)皮膚不被燒傷或灼傷。因此，建立高溫環(huán)境下的熱防護(hù)服裝設(shè)計模型，并且結(jié)合人體皮膚燒傷度，為熱防護(hù)服提供理論依據(jù)十分重要。

1 模型的建立

測試環(huán)境溫度和各層織物的性質(zhì)的具體數(shù)值，結(jié)合傅里葉定律和熱傳導(dǎo)的控制方程，建立了多層熱防護(hù)服-空氣層-假人系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)模型。然后采用顯熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度變化的經(jīng)驗公式，研究多層熱防護(hù)服、空氣層和假人的熱傳導(dǎo)過程，分析實際情況下高溫環(huán)境與織物層、織物層與織物層、織物層與空氣層、空氣層與假人之間的熱傳導(dǎo)的初始條件和邊界條件，建立一維非線性常系數(shù)偏微分拋物型方程組，采用有限差分法求解。最后利用上述數(shù)學(xué)模型和MATLAB軟件編寫程序，得到實驗結(jié)果，畫出熱防護(hù)服各層溫度分布平面圖。

根據(jù)假人溫度分布情況，將模型分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩部分。

1.1 穩(wěn)態(tài)部分各織物層溫度方程

2 模型結(jié)果表示分析

根據(jù)初值條件和邊界條件，采用有限差分向前差分格式分析，應(yīng)用MATLAB軟件，得到下圖。

圖中顯示了熱防護(hù)服多層熱傳遞模型在上述參數(shù)模擬環(huán)境下，各層溫度變化趨勢以及分布圖。其中圖中由下至上分別代表了熱防護(hù)層的第Ⅰ至Ⅳ層。

由分布圖可知，第Ⅰ層織物材料，在 0-425s 時間段內(nèi)溫度上升較快，最后溫度穩(wěn)定在 74.68°C 左右上下波動;第Ⅱ?qū)涌椢锊牧希?0-810s時間段內(nèi)溫度上升較快，溫度在 58.35°C 左右上下波動;第Ⅲ層織物材料的溫度，在 0-790s 時間段內(nèi)溫度上升較快，溫度保持在 46.17°C 左右;第Ⅳ層，即第三層與皮膚之間，在 0-880s 時間段內(nèi)的溫度上升較快，最后緩慢上升并在 47.12°C 左右上下浮動。

3 結(jié)語

本文建立了描述高溫環(huán)境下熱防護(hù)服多層熱傳遞的數(shù)學(xué)模型，通俗易懂，同時與實際情況相符合，沒有產(chǎn)生太大的誤差。并且詳細(xì)給出了數(shù)值求解過程與結(jié)果。表明我們建立的模型的合理性。在未來應(yīng)用中，本模型可以用于消防、金屬冶煉等不同高溫環(huán)境中作業(yè)人員專用服裝的設(shè)計。

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