消防服用阻燃織物在火場環境下熱濕耦合過程的研究進展

楊 柳,李 龍,房津田,楊 潘,王 丹,趙 靜,吳亞楠

(1.西安建筑科技大學華清學院,陜西 西安 710043;2.陜西中天火箭技術股份有限公司,陜西 西安 710025;3.陜西生態水泥股份有限公司,陜西 西安 710000)

消防員滅火防護服屬于熱防護服的一種,是保護消防員人身安全的重要裝備之一[1]。消防員在消防過程中主要的熱傷害是由輻射造成的,一般能達到40 kW/m2。訓練過程中,在燃燒房屋中的測試顯示(如圖1所示),消防員作業環境主要為5 kW/m2～10 kW/m2的輻射熱,然而在某些點處的熱載荷會驟升。例如,火災現場曾測得42 kW/m2的輻射熱。在高度為1米時,溫度能達到100℃～190℃,極端情況下甚至高達278℃[2,3]。

圖1 消防員所處的環境

美國消防安全協會(NFPA)規范NFPA-1971與歐洲標準規范EN-469,均要求熱防護服必須由四層組成,即防火外層、防水透濕層、隔熱防火層、舒適層。消防員在執行任務時,消防服可能會被水浸濕,部分水分會從消防服外層進入內層,出現外部高溫和水分并存的熱濕環境。消防員在高強度運動下,自身也會產生大量汗液,形成內部微循環的熱濕環境[4]。因此,利用數值模擬建立完善的火場環境下的熱濕耦合過程模型,對于保證消防員作業時著裝安全,減少作戰時傷亡是十分必要的。在此基礎上亦可提高消防服質量檢測的全面性及準確性,同時為阻燃面料的開發提供更可靠的依據。

1 消防員在作業環境下的熱濕耦合作用機制

根據傳熱傳質原理,織物系統內的熱量傳遞和水分傳遞不是互相獨立的過程[5]。原因在于:水分會改變織物的熱導率、比熱容等物理性能,以及輻射吸收系數、透過率等光學性質;水分在吸濕/解吸、蒸發/冷凝過程中均會吸收或釋放熱量,呈現出熱濕耦合效應,導致織物及服裝中的熱傳遞機制發生變化。消防服系統中常見來自外界的水分以及人體出汗產生的水分,包括氣態和液態[6,7]。以下將水分來源分為三類進行說明:

1.1 織物內部水分

探索織物中的水分對熱傳遞的影響,是研究熱濕耦合作用的第1階段,此類研究大都采用織物預加濕的方法,忽略織物的吸濕過程[8]。Barker R L等人[9]研究發現:在熱流密度為6.3 kW/m2的熱暴露條件下,織物系統的熱防護性能隨著含水量的增加先下降后上升,含水量為織物質量的15%時,熱防護性能最差。

針對消防服織物系統的多層構成特征,研究進一步細分各功能層中水分的具體影響。He J Z等人[10]針對外層織物進行了相關研究,試驗表明:在15.4 kW/m2輻射熱暴露水平下,相比0%、30%、100%的含水率水平,含水率為60%時其熱防護性能最佳。Zhang H等人[11]針對隔熱層進行相關試驗,結果表明:在熱暴露階段,隔熱層中含水率起到消極作用,而在綜合考慮蓄熱釋放時,則呈現相反的規律。

防水透汽層作為消防服織物系統中特殊功能層,與水分相關的研究主要集中于其透濕能力與熱防護能力之間的關系,研究結論并不統一。Barker R L等人[12]認為防水層透濕性對熱防護性能影響較小;另有研究發現隨著透濕性增加防護性能先增加后降低。可見,防水層對水汽的透過能力對熱傳遞的作用機制復雜。

1.2 模擬動態出汗

采用預加濕方式研究熱濕耦合作用,由于忽視了汗液在皮膚表面聚集以及從皮膚表面向織物的傳遞過程,使得研究結論產生一定偏差[13,14]。并且,預加濕方法中僅包含單一的織物干燥過程,未考慮人體動態出汗時對織物的持續潤濕能力。

1.3 衣下空間含濕量

衣下空間的相對濕度升高對織物系統整體的熱防護性起到積極影響[15]。面料含水時,最優空氣層厚度遠大于干態面料(水平方向6.4 mm,垂直方向6 mm)。這也證明了衣下空間含有水分時其傳熱機制會發生較大的變化。

2 數值模擬在復現火場極端環境下的應用

物理試驗和數值模擬是目前評價和優化熱防護服裝或織物性能的重要手段。通過數值模擬可實現火場環境和傳熱過程的再現,但模擬物理試驗尚不能真實反映復雜的火場環境[16],其主要目的是明確消防服熱防護性能測試過程中的傳熱傳質機理,從科學的角度分析造成人體皮膚燒傷的關鍵因素[17],CFD(computational fluid dynamics計算流體力學)模型作為重要的模擬方式,其建立的關鍵問題包括幾何模型的建立、網格的劃分、控制方程的建立、初始和邊界條件的確定,以及求解方法的確定。

田苗等人[18]在基于裸體假人燃燒試驗中,建立裸體假人CFD模型,通過試驗驗證模型的有效性獲得模擬火場環境參數,并用于消防服模型的建立。朱方龍等人[19]依據純火焰對流作用下的消防服傳熱機理,建立了服裝直接接觸火焰下的“火焰-服裝-皮膚”系統傳熱模式,分析了服裝接觸火焰一側的傳熱邊界條件,對系統模擬進行了數值模擬計算的驗證。結果表明,模型預測值能較好地模擬實際消防服織物的熱防護性能值。但目前對消防服用阻燃多層織物熱濕耦合作用機制理論與CFD結合模擬火場極端環境的相關研究鮮有涉及。

3 結語

利用數值模擬技術對消防服用多層阻燃織物在火場極端環境下熱濕耦合過程的理論進行驗證包括:首先,利用熱濕耦合作用機制理論推導熱濕傳遞相互作用的關系式,通過模擬軟件驗證理論推導;其次,確定火場模型及計算參數,利用數模環境進行熱防護及舒適性能試驗并與相關物理試驗進行結果比對;最終,驗證所建立火場極端環境模型的可靠性。有助于提高消防服質量檢測的全面性及準確性,為阻燃面料的開發提供更為可靠的依據,最終保證消防員作業時著裝安全,減少作戰時的傷亡。