高溫作業專用服裝設計的熱傳導數學模型研究

賀艷琴 陜西服裝工程學院 基礎部

1 研究目的與研究現狀

1.1 研究目的

隨著社會的發展,人們的生命財產安全越來越重要。高溫作業專用服在日常生活中必不可缺,因此降低研發成本、縮短研發周期顯得尤為重要。當人們進行救火、高溫搶修等一系列高溫作業時, 需要穿上特制的服裝來預防灼傷。長期在高溫環境下工作會對工作人員的生理及心理狀態產生影響,引發各種意外和危機。因此，如何設計高溫作業專業服裝,已經成為人們日益關注的焦點。

運用相關服裝設計、物理知識、數學模型和數值算法建立衣服各層材料的熱傳導偏微分方程,結合各層交界處熱傳導平衡且溫度相同的條件,建立溫度分布模型，為解決高溫作業服裝設計的熱傳遞和各層厚度等問題提供了理論依據。

1.2 研究現狀

目前，國內外學者對基于熱防護服熱傳遞模型的研究方興未艾。如今對熱防護服導熱模型的主流劃分方式為單層和雙層模型。對于單層模型，Gibson 首先提出了單層多孔介質在高溫下的導熱模型，但忽略了織物層中的熱輻射。Torvi 后來建立的可計算冷卻過程中的內部傳熱的熱傳遞模型，不僅充分考慮了強輻射對傳熱的影響，還考慮到了空氣層的厚度對防熱服傳熱性能的影響。Ghazy 在Gibson、Toriv 等人建立的模型的基礎上，將熱傳導、比熱采用經驗公式，變量取代常量，建立了更為精確的單層織物熱傳遞運動模型。Mell 基于單層模型的研究基礎，提出了多層面料間的傳熱模型，Lawson、Ghazy 后來提出了多層織物的熱濕傳遞模型，考慮了空氣層對熱防護服傳熱的影響。

2 研究內容

本文主要研究在特定的高溫環境下的專用服裝參數與性能的相關問題。基于傅里葉定律與Torvi 模型建立高溫輻射模型、高溫傳導模型、高溫對流模型；高溫作業專用服第Ⅰ層的熱量主要來源于高溫環境的熱輻射、熱傳導以及熱空氣的對流作用，根據已經建立好的熱輻射、傳導、對流等多個函數，并通過耦合建立高溫作業服裝第Ⅰ層熱傳遞函數；第Ⅱ層與第Ⅲ層的熱量求解過程中考慮只來源于熱傳導作用，基于此建立第Ⅱ層與第Ⅲ層的熱傳遞模型；第Ⅳ層的熱量主要來源于熱輻射和熱傳導作用，通過耦合建立空氣層的熱傳遞函數。

3 研究方法

(1）通過閱讀文獻、實際調查，,結合服裝設計公司對高溫作業專用服裝的設計情況和市場的需求，進行分析研究；

(2）利用建模思想、最優化理論、物理知識、數學算法，初步建立要研究的數學模型（熱傳導偏微分方程模型、單目標規劃模型、雙目標規劃模型等）；

(3）通過有限差分法、最小二乘法等數值計算方法對模型進行求解，得到了溫度分布情況和最優厚度，解決了高溫作業服裝設計的熱傳遞和各層厚度問題。

4 創新點

本文主要針對高溫作業專用服裝設計，運用建模思維、最優化理論、物理知識、數學算法、計算機軟件建立熱傳導偏微分方程模型。利用數值模擬算法得到專用服裝溫度分布；利用多層材料熱傳遞過程的微分方程及其差分離散化,采用變步長遍歷搜索法、數值模擬及離散化有限差分數值解法篩選出各層最優厚度。

本項目所建立的模型是以理論基礎為支撐，使用基于傅里葉定律的溫度偏微分反方程模型解決高溫作業服裝設計問題, 是以Torvi 模型為基礎, 并結合傅里葉定律加以改進和完善的模型整合, 它較好地反映了專用服裝在各個層次之間的溫度分布的大致情況, 具有較高的精確度和準確性, 所得結果完全可以適用于實際問題的解決。

5 推廣價值

本文通過建立關于高溫作業專用服裝的熱傳導偏微分方程模型，一方面解決了高溫作業專用服裝設計中的熱傳遞和各層厚度問題，另一方面，降低了研發成本，縮短了研發周期。