空气层位置对消防战斗服隔热性能的影响

黄冬梅， 何 松

(1. 中国计量学院 质量与安全工程学院， 浙江 杭州 310018； 2. 中国计量学院 浙江省家具检测技术研究重点实验室， 浙江 杭州 310018； 3. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室， 安徽 合肥 230027)



空气层位置对消防战斗服隔热性能的影响

黄冬梅1，2， 何 松3

(1. 中国计量学院 质量与安全工程学院， 浙江 杭州 310018； 2. 中国计量学院 浙江省家具检测技术研究重点实验室， 浙江 杭州 310018； 3. 中国科学技术大学 火灾科学国家重点实验室， 安徽 合肥 230027)

为研究辐射情况下空气层位置不同对消防战斗服材料隔热性能的影响，基于织物热湿传递多孔介质模型，建立织物-空气层-皮肤系统热湿耦合模型，研究空气层厚度为1～10 mm，位于外层与防水层之间及舒适层与皮肤之间时，织物背热面及内部温度变化；基于生物传热方程，采用Henriques人体皮肤烧伤模型计算人体皮肤烧伤时间。结果表明：空气层厚度相同，位于外层与防水层之间时，织物-空气层系统的隔热性能优于空气层位于舒适层和皮肤之间的情况，人体皮肤烧伤时间极大延迟；当空气层位于外层与防水层之间，厚度大于7 mm时，人体皮肤烧伤时间出现突跃性增大；消防战斗服在进行设计时应增大外层与防水层之间空气层厚度，并且对于身体各部分分开设计。

消防战斗服； 隔热性能； 数值模拟； 皮肤； 烧伤时间

消防服是用于保护消防员灭火救援时躯干、四肢等免受热量、火焰、有害物质侵害的消防常用装备。我国现役消防服包括消防避火服、隔热服、防火防化服、战斗服等6类。其中消防战斗服的使用最普遍。根据消防战斗服设计制作标准GA 10—2014《消防员灭火防护服》，我国消防战斗服由外层及防水透气层、隔热层、舒适层组成的内胆构成。

消防战斗服材料内部及其与人体之间的空气层厚度是影响其隔热性能的关键因素[1]。Song[2]和Kim等[3]采用三维人体扫描技术测定不同消防战斗服材料与人体之间的空气层厚度为0～85 mm之间。国内外诸多研究者建立了消防服内部传热模型，研究了不同条件下空气层对消防服内部传热的影响，如Chitrphiromsri等[4-6]建立了消防服内部热湿耦合模型，研究在轰燃条件下，消防服与人体皮肤之间空气层厚度对皮肤二度及三度烧伤时间的影响。研究结果表明，空气层厚度越小，烧伤时间越短。Song[7-9]以及何松等[10]前期的研究结果表明，消防战斗服舒适层与人体皮肤之间的空气层最佳厚度为7～8 mm，低于此值，空气层内部传热形式以热传导为主，隔热性能随空气层厚度增大而提高，高于此值，空气层内以对流传热为主，隔热性能基本稳定不变，但空气层厚度较大将影响人体穿着的舒适度及活动的便利性。朱方龙等[11-13]搭建了圆柱形实验装置，并基于该装置的实验结果建立了消防服传热模型，研究了消防服与人体皮肤之间空气层厚度为1～12 mm时消防服织物的隔热性能，分析了相变材料应用于消防服的可行性。

综上所述，国内外研究者就空气层厚度对消防服隔热性能的影响方面开展了诸多研究，取得可喜的研究成果，但是目前的研究中空气层位置主要位于消防服与人体皮肤之间。而在实际使用过程中，由于现役消防服为外层与内胆脱离的结构，因此在消防服外层与内胆之间亦存在较大的空气层。本文在前期研究的基础上，以消防战斗服为例，基于Chitrphiromsri[6]的多孔介质传热模型，考虑消防战斗服各层材料之间的热辐射反馈作用，采用生物传热方程[14]和Henriques方程[15]计算人体皮肤烧伤时间，建立环境-织物-空气层-皮肤热湿耦合模型。采用有效容积法，Crank-Nicholson格式离散守恒方程组，逐变量分析法计算，C语言编程求解。采用隔热实验结果对计算结果进行验证。最后采用验证后的模型研究空气层位置对消防战斗服织物隔热性能及人体皮肤烧伤时间的影响。

1 数值方程

消防战斗服计算系统结构图如图1所示。消防战斗服为4层结构：外层、防水透气层、隔热层和舒适层。皮肤包括表皮层、真皮层和皮下组织层。空气层位置为外层与防水层之间和舒适层与皮肤之间；厚度为1～10 mm，每隔1 mm变化。鉴于实际使用过程中防水透气层、隔热层、舒适层之间并非完全贴合，因此模拟中设定此3层之间存在0.5 mm的空气层。热量主要来源于外层外表面。坐标原点位于外层受热面。

图1 消防战斗服织物-空气层-皮肤系统结构图Fig.1 Structure of FPC-air gap-human skin system

基于Chitrphiromsri[6]的多孔介质传热模型，考虑各层材料之间的辐射换热，建立消防战斗服各层材料内部守恒方程组。

能量守恒方程为

(1)

质量守恒方程:

固态

(2)

液态

(3)

气态

(4)

式中：ρb为结合水的密度，kg/m3；εb为结合水体积分数；εl为自由水体积分数；εg为气体体积分数；ρv为水蒸气的密度，kg/m3；ρl为自由水的密度，kg/(m3·s)；ρb为结合水的密度，kg/m3；εb为结合水体积分数；ρv为水蒸气的密度，kg/(m3·s)；Deff为织物内气相的有效扩散系数，m2/s。

自由水动量守恒方程为

(5)

(6)

(7)

(8)

空气层中守恒方程：

能量守恒

(9)

质量守恒(气相)

(10)

采用Pennes的生物热平衡方程[14]计算人体皮肤内热传递：

(11)

式中：ρskin为皮肤的密度，kg/m3；ρblood为血液的密度，kg/m3；(Cp)blood为血液的比热容，J/(kg·K)；(Cp)skin为皮肤的有效比热容，J/(kg·K)；Tart为人体核心温度，K；ωb为血液灌注率，m3/(s·m3)。

计算时初始条件为

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

边界条件为

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

式中：下标0为厚度为0处边界；下标L为厚度为L处边界。由于每日上午和下午人体皮肤的平均温度分别为(306.3±0.5) K 和(306.5±0.4) K[17]，因此在进行实验测定时，设置消防战斗服材料背热面恒温水箱内水温为(306.5±1) K，以模拟背热面人体皮肤温度，采用热电偶测定恒温水箱内水温为313 K，实验装置介绍及样品处理与测定详见文献[10]，为保持模拟计算与实验边界条件一致，模拟计算时边界条件选择为313 K,采用Henriques和Moritz[15]的方法计算人体皮肤烧伤时间，首先计算表皮层与真皮层之间界面(如图1所示)处的Henriques积分函数Ω，根据Takata[18]的判断准则，即Ω=0.53时，Ⅰ度烧伤；Ω=1.0时，Ⅱ度烧伤，计算空气层位置、厚度不同时，人体皮肤出现Ⅰ度、Ⅱ度烧伤的时间。Henriques积分函数Ω计算公式如下：

(27)

积分上式可得

(28)

式中：Ω为Henriques积分常数；P为Henriques计算常数；R为通用气体常数；△E为皮肤活化能，J。

对守恒方程组采用有限容积法，C—N格式进行离散，边界条件采用中心网格法离散。对织物与空气层之间界面处的导热系数、扩散系数采用调和平均计算，其他位置采用算术平均。离散后的方程组采用“追赶法”求解，松弛因子为0.6，迭代精度要求为10-6。采用C语言编程计算，时间步长为10-3，空间步长为10-5，每0.1 s输出1个数据。

2 结果与讨论

本文提出模型中基本参数包括消防战斗服材料和空气层的热物性参数和光学特性参数，皮肤的热物性参数。消防战斗服各层材料的厚度采用游标卡尺测定，厚度由外向内依次为0.31、0.5、1.1、0.29 mm。各层材料比热容与温度的函数为：

外层：Cp=-479.335 67+3.661 19T281～473 K

防水层：Cp=-2 121.045 36+8.964 67T281～373 K

隔热层：Cp=-1 829.597 11+8.477 74T281～373 K

舒适层：Cp=-562.425 22+5.704 98T281～373 K

消防战斗服其他热物性参数及光学特性参数见文献[19]；不同温度条件下空气的比热容、动力黏度、密度、热导率等参数见文献[20]；皮肤的热物性参数见文献[21-23]；Henriques方程参数见文献[24]。

2.1 模型验证

首先验证模拟计算结果的准确性，采用研究者前期搭建的多层织物热湿传递机制实验测试装置测试结果，实验装置介绍及样品处理与测定详见文献[10]。以消防战斗服材料与人体皮肤之间空气层厚度1 mm工况下的实验结果作为验证组，实验结果与计算结果对比如图2所示。图中离散点数据为实验测定结果，曲线为相应位置数值模拟结果。

图2 实验结果与计算结果对比图Fig.2 Comparison between measured data and calculation one. (a)Temperature versus time； (b)Temperature versus thickness

由图2可知，该实验工况下，计算结果与实验结果一致性较好，相对误差小于6%。下文采用模型计算空气层厚度为1～10 mm，位于外层与防水层(O-M)之间及位于人体皮肤与舒适层(C-S)之间时，消防战斗服材料内部温度变化及不同条件下人体皮肤烧伤时间。

2.2 模拟结果讨论与分析

基于数值模拟结果，分析空气层位于O-M和C-S之间时，消防战斗服织物-空气层-皮肤系统内部温度变化及人体皮肤烧伤时间。随着空气层厚度由1 mm增加到10 mm，消防战斗服织物-空气层至皮肤表面的厚度由4.3 mm增加至14.3 mm。模型边界温度TL=-345.713exp(-t/39.1541)+658.274。空气层厚度为1、4、6、10 mm，不同时刻消防战斗服内温度变化曲线如图3所示。

图3 不同时刻消防战斗服内温度变化曲线Fig.3 Temperature distributions in FPC at different moments of time

由图3可知，当厚度为1 mm时，空气层位置对消防战斗服外表面至皮肤之间温度影响不大，温度随厚度的增加而降低。当厚度为4 mm，初始阶段，空气层位于O-M区域时，该区域温度高于空气层位于C-S区域的情况，当时间大于50 s时，与前期情况相反，如图3(b)所示。当空气层厚度大于4 mm时，50 s前后空气层位置不同时温度差逐渐增大，如图3(c)、(d)所示。这是因为织物内的比热容及热导率远大于空气的，且模拟时织物放置环境的初始相对湿度为65%，环境水分由芯吸进入纤维内部成为结合水，在高温情况下，结合水逐渐转变为自由水，自由水蒸发为水蒸气，此过程将吸收大量热量，随着织物表面温度不断升高，水分逐渐消耗，织物内部储存热量达到限值，且热导率随着温度的增加而增大，从而使靠近受热面的织物热量传递加快；当空气层位于O-M层时，由于空气层的隔热作用，使传递至内层织物的热量减少，从而使内层织物隔热作用时间延长，且随着空气层厚度的增加，由于导热和对流损失的热量增多。

图4 表皮层表面温度随空气层厚度变化曲线Fig.4 Temperature versus air gap thickness on epidermal surface at 100 s

图4示出100 s时刻空气层位置不同时，皮肤表皮层表面温度随空气层厚度变化曲线。由图可知，随着空气层厚度的增大，皮肤表面温度逐渐降低。当空气层位于C-S区域，空气层厚度相同时，表皮层表面温度高于空气层位于O-M区域时。由此可知，当空气层位于O-M区域时，其隔热效果优于位于C-S区域。

图5 空气层位置不同时空气层内温度差随时间变化曲线Fig.5 Temperature difference between different air gap positions

图5示出25 s后空气层位置不同时空气层内温度差随时间变化曲线。由图可知，当空气层厚度为1～6 mm时，温度差随着空气层厚度的增大而增大。当空气层厚度为7～10 mm时，温度差随着空气层厚度的增大而降低。当空气层厚度为6 mm时，100 s之前，温度差最大，随着时间的推移，温度差逐渐降低。这主要是因为当空气层厚度较小时，内部传热模式主要为传导，当厚度增大时，空气层内传热模式逐渐由导热过渡到对流，当空气层厚度为5～6 mm时，传导、对流共存。

图6 空气层位置与厚度不同时人体皮肤烧伤时间Fig.6 Maximum durations of heat before getting first and second-degree burns with different air gap location

图6示出空气层位置厚度不同时人体皮肤烧伤时间。

由图可知，随着空气层厚度增大，人体皮肤Ⅰ度烧伤及Ⅱ度烧伤时间延长。当空气层位于C-S区域时，人体皮肤烧伤时间与空气层厚度成线性关系；当空气层位于O-M区域，空气层厚度小于7 mm时，人体皮肤烧伤时间与空气层厚度亦成线性关系，当空气层厚度为7～8 mm时，人体皮肤烧伤时间出现较大延迟。由上文的分析可知，当空气层厚度大于7 mm时，空气层内部传热模式主要为对流作用，对流作用下可增大热量损失。当空气层厚度相同时，位于O-M区域，人体皮肤烧伤时间较之位于C-S区域时延迟。为不影响消防员救援时的灵活性，要求战斗服不能限制人体活动，通常情况下衣物较为宽松[25]，从而致使人体皮肤与战斗服舒适层之间存在一定的空气层，且身体不同部位空气层厚度不同[1-3]。其中肩部、上背、膝盖等部位衣物紧贴皮肤，空气层厚度最小；小腿处空气层厚度最大，可达到85 mm。根据本文的研究结果，应加强肩部、上背、膝盖等部位的保护，增大这些部位战斗服外层与防水层之间空气层的厚度。

3 结 论

本文基于织物热湿传递多孔介质模型，建立消防战斗服多层材料-皮肤系统热湿耦合模型，研究空气层厚度为1～10 mm，位于外层与防水层之间及位于舒适层与皮肤之间时，对其隔热性能的影响，最后计算不同条件下人体皮肤烧伤时间，所得结论如下：

1)空气层厚度相同时，当空气层位于O-M区域时隔热效果优于位于C-S区域的情况；当O-M区域空气层厚度大于7 mm时，材料系统的隔热效果极大提高；

2)对于消防战斗服的设计，可考虑在肩部、上背等空气层厚度较小的区域，外层与防水层之间增加孔隙率大、密度低的多孔材料，以增大这些部位的空气厚度，提高其隔热性能；对于大腿、小腿等皮肤与舒适层之间空气层厚度较大的区域，应在不影响活动性的基础上，尽量减小这些部位衣服的尺寸；

3)后续研究继续增大空气层厚度，研究空气层厚度大于10 mm时，体系隔热性能及人体皮肤烧伤时间。

FZXB

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Influence of air gap position on heat insulation performance of firefighters′ protective clothing

HUANG Dongmei1,2，HE Song3

(1.CollegeofQualityandSafetyEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 2.KeyLaboratoryofFurnitureInspectionTechnologyofZhejiangProvince,Hangzhou,Zhejiang310018,China; 3.StateKeyLaboratoryofFireScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei,Anhui230027,China)

To investigate the influence of air gap position on the heat insulation performance of the firefighters′ protective clothing, a fabric-air gap-skin system heat and moisture transfer model was developed based on the fabric heat and moisture transfer porous medium model. Temperature variations on the inner and outer surfaces of the sample were monitored when the air gap is located between the outer layer and the moisture layer and between the comfort layer and the human skin at the same thickness of 1-10 mm. Then the maximum duration of heat before subjecting to first and second-degree burns were calculated by the Henriques equation based on the bio-heat transfer equation. The results show that, the thermal insulation performance of the fabric-air gap system when the air gap is located between the outer and moisture layer was better than that when that located between the comfort layer and the human skin at the same thickness. And the time before human skin subjecting to first and second-degree burns was also prolonged when the air gap is located between the outer layer and the moisture layer, especially when the air gap thickness is greater than 7 mm. Therefore, the air gap between the outer layer and the moisture layer should increased when the firefighters′ protective clothing was designed. And it should be designed separately for different parts of the human body.

firefighters′ protective clothing; thermal insulation performance; numerical simulation; skin; burn injury time

10.13475/j.fzxb.20140804307

2014-08-20

2015-05-27

国家自然科学基金资助项目(51306168)

黄冬梅(1984—)，女，讲师，博士。研究方向为消防员个人防护装备。E-mail：20021567@163.com。

TS 941.731

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