数值模拟在热防护服装性能测评中的应用

田 苗, 李 俊

(1. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 功能防护服装研究中心， 上海 200051；3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)



数值模拟在热防护服装性能测评中的应用

田 苗1,2,3, 李 俊1,2,3

(1. 东华大学 服装·艺术设计学院， 上海 200051； 2. 东华大学 功能防护服装研究中心， 上海 200051；3. 东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

对热防护服装性能合理的评价在公共安全领域具有重要意义。数值模拟成为继试验研究之后相关领域的重要研究手段。从模型的建立及验证2方面出发，主要对传热模型、皮肤烧伤预测模型和火场环境仿真等相关研究进行回顾，并对典型模型的发展过程、特点和不足进行归纳。根据相关技术的发展，预测了热防护服装数值模拟的发展趋势。未来将在完善热湿传递模型的基础上，发展全尺度的数值模拟，并结合人体热调节等模型对防护服进行多方位的评价。通过在优化热防护服装方面的应用，充分体现数值模拟研究的实用价值。

数值模拟； 热防护服； 性能测评； 皮肤烧伤； 传热模型

随着计算机技术的发展，数值计算方法的研究得到了极大地推动，从而使数值模拟的规模和精度不断优化。数值方法逐渐成为与理论分析、实验研究相并列的三大科学研究手段之一，可以对许多原本无法或很难用理论分析求解的复杂问题进行模拟求解，比物理实验具有更大的自由度和灵活度；同时通过实现虚拟，现实环境、可视分析环境和协同仿真环境，数值模拟可以在一定程度上替代物理实验，节约试验成本，加快研究进度，扩大研究范围[1]。

在目前服装热防护性能的测评中，普遍使用物理试验的方法，即通过TPP(Thermal Protective Performance，热防护性能)试验或燃烧假人试验评估服装的热防护性能。这种试验具有破坏性及不可重复性，试验结果的准确度会受到环境和人为因素的影响，并且成本较高。由于服装本身属性特殊，服装领域相关的数值模拟研究起步较晚，且多为国外学者所关注，国内相关研究鲜见。随着服装领域实验研究体系的逐渐完善，研究方法亟待突破，而数值模拟正是关键所在。服装领域将成为继暖通空调、机械制造、材料科学和航空学等领域[2-3]之后，数值模拟应用的重要舞台。

热防护服装数值模拟研究的目的是预测随时间变化的织物、皮肤、空气层中温度、热流的分布，烧伤等级的量化，及达到皮肤烧伤所需的时间等[4]。通过探索防护服中热传递的物理现象，提高服装的性能，并应用在消防安全领域。数值模拟研究的关键问题是模型的建立和验证。

1 数值模型的建立

进行数值模拟，首先要建立反映问题各变量之间的微分方程及相应的定解条件。处在火灾环境时，人体伤害的判定基于皮肤烧伤，造成烧伤的直接原因是火场环境，而在火场和人体皮肤之间的唯一屏障是消防服系统，因此，将数值模型的建立划分为织物-空气层-皮肤热传递模型，皮肤模型和皮肤烧伤预测模型以及火场环境仿真3个部分进行回顾和评价。

1.1 织物-空气层-皮肤热传递模型

数值研究的环境条件主要分为2种：强热流闪火条件和中等热流热辐射条件。闪火主要发生在石油化工行业，时间少于5 s但伴随强热流[5]。由于许多消防员的烧伤是长时间暴露于中等辐射热源引起的[6]，因此，有学者开展了热辐射条件下的相关研究。另外，数学模型只能在一定程度上满足实际条件，为了简化模型，一般需要进行假设。

1.1.1 模型假设

在模型维数和仪器形态的假设方面，Torvi[5]，Mell[6]，Ghazy[7]，Song[8]，Chitrphiromsri[9]等学者均采用了基于平壁假设的一维传热模型。Crown等[10]实验研究证明台式测试不能获得织物热收缩对其热防护性能的影响，因此，朱方龙等[11]假设模拟人体的圆柱体仪器内是一维径向传热。Sawcyn等[12]则运用近似二维的方法改进防护面料台式测试中空气层的热传递模型。

对传热模型进行的一般假设为：1) 织物为辐射灰体，质量输运传递可忽略不计；2) 辐射热流量能够渗透到面料内部一定深度；3) 织物面料的热属性与温度相关；4) 人体体核温度保持37 ℃恒温等。另外，不同学者根据各自的研究领域也进行了其他方面的假设，如：Torvi[5]，Song[8]，Chitrphiromstri等[9]通常不考虑空气层中热传递形式之间的相互作用；Ghazy等[7]则假设空气层中传导和辐射产生耦合作用等。

1.1.2 微分方程的建立

在建立数值模型时，根据特定的边界条件，一般将模型分为织物、空气层和皮肤3个部分。在织物暴露于热源的表面发生辐射和对流热传递。空气层中的传热方式比较复杂，当其厚度小于6.4 mm时，传热方式为传导和辐射，厚度为6.4 mm或更大时，空气发生自然对流[5]，因此，建立空气层中的微分方程时要考虑厚度的影响。

Torvi[5]利用有限元法建立了织物-空气层-皮肤系统的微分方程

(1)

式(1)的初始和边界条件为

t=0时，

(2)

x=0，t>0时，

(3)

x=Lb，t>0时，

(4)

式中：CA为显热容，J/K；qrad为辐射热流，W/m2；k为导热率，W/(m·℃)；γ为消光系数，1/m；T为温度，K；t为时间，s；Ti(x)为织物-空气层-皮肤系统的初始温度分布；Ta为环境温度，K；h为对流传热系数W/(m2·K)。

Sawcyn等[12]开发二维改进模型，模拟热防护织物和传感器之间水平空气层的热传递。将底部边界作为一系列等温矩形计算辐射传热，每个单元(j)到传感器的辐射传热通过下式计算(忽略封闭空间与辐射发射率相关的散射和吸收)：

(5)

式中：A和ε分别为表面积(m2)和发射率。

考虑到空气层中传导和辐射之间的相互作用，Ghazy等[4]得出当空气层厚度小于6.4 mm时一维瞬态传导-辐射传热方程。

(6)

Song[8]、Chitrphiromstri等[9]使用了Torvi[5]的方法建立了微分方程和边界条件。Mell等[6]认为各层织物之间辐射是双向的，但未将织物的光学性能(透射率、反射率)用作模型的输入参数。朱主龙等[11]建立模型时则未考虑源项，因为温度未达到发生反应的要求。

1.1.3 微分方程的求解

Torvi[5]使用有限元法解决微分方程，有限元计算机程序在Microsoft®QuickBASICTM4.5[13]中编写。Song等[8]使用有限差分法解决假人表面每个传感器处的微分方程。对于非线性的辐射方程，采用Gauss-Seidel逐点迭代的方法解决。Ghazy等[14]则运用有限体积法对织物、空气层和皮肤的能量方程、边界条件进行离散，使用完全隐式法进行时间离散。Sawcyn[15]通过内部代码FASTEST3D (Flow Analysis by Solving Transport Equations Simulating Turbulence)解决控制方程。代码基于有限体积法并写入曲线坐标，SIMPLE算法解决动量方程，中心差分法离散发散热流，代数方程则通过Stone的半隐式程序求解。

可以发现，数值模型的建立和计算方法逐渐从有限差分法和有限元法，发展到有限体积法[16]。

1.2 皮肤模型和皮肤烧伤预测模型

1.2.1 皮肤模型

皮肤指身体表面包在肌肉外面的组织，主要承担保护身体、排汗、感觉冷热和压力的功能。人体皮肤由表皮、真皮、皮下组织组成。常见的皮肤模型主要有Pennes皮肤模型[17]和热波皮肤模型[18]。

Pennes模型是目前最常用的皮肤传热模型，其传热方程形式为

(7)

式中：ρs为皮肤的密度，kg/m3；cps为皮肤的比热容，J/(kg·℃)；λs为皮肤的导热系数，W/(m·℃)；ρb为血液的密度，kg/m3；cpb为血液的比热容，J/(kg·℃)；λb为血液的导热系数，W/(m·℃)；ωb为血流灌注率。方程的内边界条件设定为体核37 ℃恒温，初始条件为皮肤外、内表面初始温度值之间呈(34～37) ℃线性分布。

Pennes模型的建立基于经典的傅里叶定律，主要针对皮肤瞬时热流暴露，但器官系统需要热弛豫时间τ来积聚传递到皮肤内部所需的热量。Liu等[18]提出了与皮肤模拟传感器表面热流相结合的热波皮肤模型。

(8)

热波皮肤模型代表的是有限速度热传递，与传统的热传导方程相比预测更加真实，但在描述快速传热的合理性方面存在一定争议。

1.2.2 皮肤烧伤预测模型

一般通过估算穿过面料造成皮肤烧伤的总传热量来评价服装的热防护性能[14]。台式测试利用Stoll等[19]提出的烧伤准则评价面料样本的TPP，而假人测试则是利用Henriques烧伤积分[20]评价整件服装不同位置的TPP。

Stoll二级烧伤准则是出现较早的皮肤烧伤预测模型。在恒定热流的暴露下，铜片热流计温度历史曲线和Stoll曲线相交，相交点的横坐标即为达到二级烧伤所需的时间。这种预测二级烧伤的方法无需复杂的数学运算，即可迅速预测烧伤。

Henriques烧伤积分模型是目前应用最为广泛的皮肤烧伤模型。Henriques发现皮肤的损伤可以通过化学反应过程来表示，提出一阶阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程，用于表示组织损伤速率。

(9)

式中：Ω为皮肤烧伤程度，无量纲；P为频率因子，s-1；E为皮肤的活化能，J/mol；R为摩尔常数，8.31 J/(mol·℃)；t为皮肤温度高于44 ℃的时间，s；T为皮肤下深度为x的绝对温度，K。对式(9)进行积分，得到Ω。皮肤温度T>44 ℃且Ω=0.53 时，皮肤一级烧伤；皮肤温度T>44 ℃且Ω≥1 时，皮肤二级烧伤。该模型适用于长时间低热流条件下皮肤表层烧伤评价，而对于短时间高热流条件下是否适用尚无定论。

另外，Autrique等[21]通过对Henriques、Mehta 和 Wong、Weaver和Stoll等皮肤烧伤预测模型的灵敏度分析，发现多数模型参数都未进行很好的定义，并认为影响模型准确度的关键参数为表皮和真皮层的体积热容、消光系数和皮肤厚度。对于烧伤预测，活化能是保证预测有效性的关键参数。

1.3 火场环境仿真

消防员作业时需频繁出入火灾现场，模拟火场环境可以更加真实可靠地评价消防服的热防护性能。消防科学与火灾科学在该方向的研究成果较为显著。

火灾试验是一种破坏性试验，目前能够进行火场环境仿真的为TPP测试及燃烧假人试验，它们分别从织物和服装的层次完成火场环境中的测试。

作为模型实验的一种补充研究方法，计算机数值模拟得到了越来越多的应用。得益于计算机硬件技术的快速发展，计算流体动力学(CFD)成为火灾数值模拟的主要手段[22]。耿鹏[23]针对室内火灾的过程利用FLUENT、CFAST软件，以典型的建筑室内结构及火灾荷载为例，研究室内火灾的烟气热量分布、建筑火灾中烟气的温度和烟气流动速度等。根据计算得到火灾和烟气在建筑物内的发展情况，确定建筑物的火灾安全状况，并分析有关消防设施的功能、人员的安全疏散。火灾发生时会形成密集湍流，并伴有燃烧和辐射热。在服装领域，Jiang等[24]利用CFD软件FrontFlow/Red(FFR)模拟燃烧室中火焰燃烧时的气流和热传递。FFR综合运用了Large Eddy Simulation(LES)和Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)模拟湍流，可以通过超级计算机进行高效的并行计算。

1.4 模型的发展过程、特点与不足

选取具有代表性的历年模型，对其发展过程以及模型的特点与不足进行了归纳，如表1所示。

表1 模型发展过程

热防护服装数值模拟研究主要分为3个阶段：第1阶段单纯考虑织物-空气层-皮肤系统的热传递建立传热模型。第2阶段出现了热湿传递模型(在普通织物常温状态下的研究比较常见)。由于湿传递机制复杂，并且热传递模型仍然存在问题，因此，有学者仍致力于完善传热模型。对于传热模型的优化集中在对空气层中传热的讨论：一种认为空气层中的传热方式会产生相互作用，进行传导-辐射耦合模拟；另一种假设传热方式相互独立，但利用二维的方法进行模拟。第3阶段，开始利用CFD进行服装整体的热防护性能研究。

2 数值模型的验证

由于数值模型求解的问题比较复杂，如非线性方程的数值求解方法在理论上不够完善，需要通过试验来加以验证。在服装领域的数值模拟主要采用数学方法和试验方法来进行模型验证。

2.1 数学方法验证

Torvi[5]利用几个简化的案例，如：半无限大固体[25]，两层半无限大固体，集总热容分析和拥有变导热系数的半无限大固体等，分别验证计算机程序的各个部分。

Mell等[6]比较了数值模拟结果与简化问题的精确解。通过比较检测数值模拟的效果，确定一定精确程度的网格解析度。确认数值模型是否可以在材料界面很好地解决传热系数不连续的问题。与传导热流不同，辐射热流直接模拟获得，它的精确度取决于辐射热传递物理模型的准确性以及光学性能参数的应用，而不是微分计算的准确性。

早期研究数值模拟的学者，如Torvi[5]和Mell等[6]均使用数学方法计算精确解或比较研究的方式对模型进行了验证。Song[8]、Chitrphiromsri[9]和Sawcyn[15]等的数值模拟方法多是从Torvi[5]的成果演化而来，因此，可以认为这些学者只是在文献中省略了数学方法验证的过程。

2.2 实验方法验证

实验验证是目前数值模拟当中常用的验证方法，根据标准惯例设计实验对结果进行验证，也有少数学者，如Torvi[5]和Sawcyn[15]等将流场可视化实验应用到数值模拟的验证当中。

2.2.1 台式测试或假人测试

在TPP测试中，Torvi[5]利用红外温度计和热电偶测量织物和衬垫的温度。根据实验结果，定性地讨论了织物的热响应。朱方龙等[11]在同等受热条件下分别模拟和测试了芳纶Metamax®织物和阻燃棉织物的表面温度。Ghazy等[7]使用皮肤模拟材料及固定的空气层厚度6.4 mm，模拟TPP测试[9]，比较测试、预测的皮肤表面温度随时间的变化趋势，判断模拟结果的准确性。

Song等[8]开发的数值模型可以预测强热环境中通过服装的热传递。利用PyroMan燃烧假人系统，对比烧伤等级的比例和分布来验证模型。Jiang等[24]开发了AFFECTION程序，计算通过服装和人体皮肤的辐射、传导综合热传递。通过模拟ISO6942对AFFECTION进行验证，通过模拟ISO/FDIS 13506，进行假人层次烧伤实验，验证模拟结果。

2.2.2 流场可视化实验

最早使用流场可视化方法的是Torvi[5]，他证实当空气层厚度为6.4 mm或更大时，空气发生自然对流，并利用流场可视化的方法描述了空气层中的气流形态。Sawcyn[15]进行流场可视化试验时对仪器进行了适当的改造，辅助确定了模型中产生对流传热的部分。

数学验证的方法比较准确，但会受到模型假设的影响，且辐射传热部分不易验证；试验验证结果比较直观，但会受到试验环境、人为因素等的影响，并且在试验结果的评价上没有统一的标准。因此，利用数学验证和试验验证相结合的方法，可以相对完整地对模型进行验证。但是，无论是TPP台式测试还是燃烧假人测试，测试结果与模拟结果之间吻合度的判定都需要建立相对规范的标准。

3 热防护服装数值模拟的发展趋势

在过去的50年中，计算机技术的发展使其性能得到了空前的提高，推动了数值计算方法的研究，使数值模拟的规模和精度不断优化。这为开展服装热防护领域的数值模拟研究创造了良好的条件。软件和平台的标准化，令通用设备上所实现的计算模型更容易扩展到大规模并行环境[26]，云计算[27]的出现提供了更为灵活的数值计算平台。另外，人体热生理模型[28-29]和室内火灾[30-31]等研究为热防护服性能的数值模拟提供了理论基础，而3D扫描仪及CFD的应用[32]则为相关研究提供了技术支持。热防护服装数值模拟的发展趋势主要有：

1) 服装-空气层-皮肤系统热湿传递模型准确度的提高。数值模拟中参数的敏感度研究说明，已有研究使用的某些输入参数并不精确，因此，在建立新的模型时，要对经验参数进行论证，判断其是否有效。采用准确的边界条件，选取合适燃烧模型，考虑服装热收缩对热传递的影响等都是提高模型准确度的途径。

2) 服装层次全尺度模拟规模的提高。目前服装领域的数值模拟多局限于织物层次，仅有少数服装层次数值模拟的研究。随着计算机技术的发展，CFD技术的应用及学科交叉的深入，服装层次全尺度的数值模拟的规模和精度将得到提高。

3) 人体热调节模型的应用。目前对于人体热调节模型以及热舒适性的评价已经发展到一定阶段，随着在高温环境预测准确度的提高，有必要将其引入到热防护服的舒适性评价中。从人体热感觉的角度，完善热防护服在火灾环境中的数值模拟，使其不仅可以进行热防护性能的评价，而且可以进行热舒适性能的评价。

4) 室内火灾与烟气流动模拟。火灾环境中，消防服或其他建筑材料在受热或燃烧时会产生一定的烟气，烟气的危害性主要是其毒性和遮光性。对于燃烧假人的室内火灾烟气流动的模拟，是从安全性的角度考虑对消防员的影响，更加全面地评估服装的防护性能，减少安全隐患。

4 结 语

热防护服装系统是火场或高温环境中对消防员等作业人员产生保护的唯一屏障，是服装领域的研究热点之一。热防护服装性能数值模拟的目的并不是完全取代所有真实试验，而是为热传递和烧伤过程提供有效的信息，从而减少实验的人力耗费，并指导进一步探索的方向。本文主要对20世纪90年代以来，国内外热防护服装领域的数值模拟进行了回顾。以数值模拟的应用方法为主线，总结了数值模拟在服装热防护性能测评中的作用；结合相关研究和技术的发展，概述了该方向未来的发展趋势。目前的研究主要集中在小规模的织物层次，解决织物-空气层-皮肤系统的热湿传递问题，并有少量对于服装层次或全尺度燃烧假人层次的研究。未来的研究趋势将是在完善热湿传递模型的基础上，开展全尺度的数值模拟；结合人体热调节等模型对防护服进行多方位的评价，从而更好地得到反馈并应用在热防护服装的优化方面，充分体现数值模拟研究的实用价值。

[1] 何雅玲, 王勇, 李庆. 格子Boltzmann方法的理论及应用[M]. 北京: 科学出版社, 2009: 1-2. HE Yaling, WANG Yong, LI Qing. Lattice Boltzmann Method: Theory and Application[M]. Beijing: Science Press, 2009: 1-2.

[2] KAYNAKLI O, KILIC M. Investigation of indoor thermal comfort under transient conditions[J]. Building and Environment, 2005, 40 (2): 165-174.

[3] KILIC M, KAYNAKLI O, YAMANKARADENIZ R. Determination of the required core temperature for thermal comfort with steady-state energy balance method[J]. Heat Mass Transfer, 2006, 32 (2): 199-210.

[4] GHAZY A, BERGSTROM D J. Numerical simulation of transient heat transfer in a protective clothing system during a flash fire exposure[J]. Numerical Heat Transfer, 2010, 58(9):702-724.

[5] TORVI D A. Heat transfer in thin fibrous materials under high heat flux conditions[D]. Edmonton: University of Alberta, 1997: 1-277.

[6] MELL W E, LAWSON J R. A heat transfer model for firefighters′ protective clothing[J]. Fire Technology, 2000, 36:39-68.

[7] GHAZY A, BERGSTROM D J. Influence of the air gap between protective clothing and skin on clothing performance during flash fire exposure[J]. Heat Mass Transfer, 2011, 47(10):1275-1288.

[8] SONG G W, BARKER R L, HAMOUDA H, et al. Modeling the thermal protective performance of heat resistant garments in flash fire exposures[J]. Textile Research Journal, 2004, 74(12):1033-1040.

[9] CHITRPHIROMSRI P. Modeling of thermal performance of firefighter protective clothing during the intense heat exposure[D]. USA: North Carolina State University, 2004: 1-150.

[10] CROWN E M, DALE J D, BITNER E. A comparative analysis of protocols for measuring heat transmission through flame resistant materials: capturing the effects of thermal shrinkage[J]. Fire and Materials, 2002, 26: 207-213.

[11] 朱方龙，王秀娟，张启泽，等. 火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟[J]. 纺织学报, 2009, 30(4): 106-110. ZHU Fanglong, WANG Xiujuan, ZHANG Qize, et al. Numerical model of heat transfer in protective clothing for emergency rescue in firefighting[J]. Journal of Textile Research, 2009, 30(4): 106-110.

[12] SAWCYN C M J, TORVI D A. Improving heat transfer models of air gaps in bench top tests of thermal protective fabrics[J]. Textile Research Journal, 2009, 79: 632-644.

[13] Wikipedia the free encyclopedia. QuickBASIC [DB/OL]. [2013-09-28]. http://zh.wikipedia.org/wiki/Microsoft_QuickBASIC.

[14] GHAZY A, BERGSTROM D J. Numerical simulation of the influence of fabric′s motion on protective clothing performance during flash fire exposure[J]. Heat Mass Transfer, 2013, 49(6):775-788.

[15] SAWCYN C M J. Heat transfer model of horizontal air gaps in bench top testing of thermal protective fabrics[D]. Saskatoon: University of Saskatchewan, 2003:1-134.

[16] 王福军. 计算机流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2012:4. WANG Fujun. Analysis of Computer Fluid Dynamics: The Theory and Application of CFD Software[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2012:4.

[17] PENNES H H. Analysis of tissue and arterial blood temperature in resting human forearm[J]. Journal of Applied Physiology, 1948, 1(2): 93-122.

[18] LIU J, XU C, LISA X X. New Thermal wave aspects on burn evaluation of skin subjected to instantaneous heating[J]. Transactions on Biomedical Engineering, 1999, 46(4): 420-428.

[19] STOLL A M, CHIANTA M A. Method and rating system for evaluation of thermal protection[J]. Aerospace Medical, 1969, 40: 1232-1238.

[20] HENRIQUES F C. Studies in thermal injuries: V: the predictability and the significance of thermally induced rate processes leading to irreversible epidermal injury[J]. Archives of Pathology, 1947, 43: 489-502.

[21] AUTRIQUE L, LORMEL C. Numerical design of experiment for sensitivity analysis-application to skin burn injury prediction[J]. Biomedical Engineering, 2008, 55(4): 1279-1290.

[22] 王春，方惠惠，黄显青，等. 地铁火灾数值模拟研究最新进展[J]. 消防技术与产品信息, 2013 (3):33-35. WANG Chun, FANG Huihui, HUANG Xianqing, et al. Proceedings of numerical study on subway fire[J]. Fire Technique and Products Information, 2013 (3):33-35.

[23] 耿鹏. 室内火灾数值模拟[D]. 太原：中北大学, 2008: 1-49. GENG Peng. Numerical simulation of indoor fire[D]. Taiyuan: North University of China, 2008: 1-49.

[24] JIANG Y Y, YANAI E, NISHIMURA K, et al. An integrated numerical simulator for thermal performance assessments of firefighters′ protective clothing[J]. Fire Safety Journal, 2010,10(45):314-326.

[25] INCROPERA F P, DEWITT D P, BERGMAN T L, et al. Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M]. 6 th ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2012: 176-180.

[26] DONGARRA J, FOSTER I, FOX G, et al. Review of Parallel Computation[M]. Beijing: Electronic Industry Press, 2005: 62-65.

[27] 徐炜民, 严允中. 计算机系统结构[M]. 3版. 北京: 电子工业出版社, 2010: 336- 339. XU Weimin, YAN Yunzhong. Computer System Architecture[M]. 3rd ed. Beijing: Electronic Industry Press, 2010: 336-339.

[28] TANABE S, KOBAYASHI K, NAKANO J, et al. Evaluation of thermal comfort using combined multi-node thermoregulation (65MN) and radiation models and computational fluid dynamics (CFD)[J]. Energy and Buildings, 2002, 34(6): 637-646.

[29] LI F Z, LI Y. Effect of clothing material on thermal responses of human body[J]. Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering, 2005, 13(6): 809-827.

[30] CHEN C J, HSIEH W D, HU W C, et al. Experimental investigation and numerical simulation of a furnished office fire[J]. Building and Environment, 2010, 45 (12): 2735-2742.

[31] WU J X, MIAO Q, WANG E Y, et al. Numerical study on indoor fire of leaked gaseous fuel[J]. Fire Safety Science, 2005(8): 681-691.

[32] TALUKDAR P, TORVI D A, SIMONSON C J, et al. Coupled CFD and radiation simulation of air gaps in bench top protective fabric tests[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, 53(1): 526-539.

Application of numerical simulation on performance evaluation of thermal protective clothing

TIAN Miao1,2,3, LI Jun1,2,3

(1.FashionandArtInstitute,DonghuaUniveristy,Shanghai200051,China; 2.ProtectiveClothingResearchCenter,DonghuaUniveristy,Shanghai200051,China; 3.KeyLaboratoryofClothingDesign&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China)

Evaluating the performance of thermal protective clothing properly is significant for public safety. Following experiment research, numerical simulation has become an important means in related fields. From the aspects of development and validation of models, this paper reviews the current research status, such as heat transfer models, skin burn predictive models and fire simulation. The development process, characteristic and insufficient points of representative models are concluded. According to the development of related technologies, trends on numerical simulation on performance evaluation of thermal protective clothing are predicted. Full-scale simulation will be carried out based on the improvement of heat and moisture model. All-round evaluation of protective clothing will be realized combined with human thermal regulation model. Through the application on the optimization of thermal protective clothing, the practical value of numerical simulation can be expressed adequately.

numerical simulation; thermal protective clothing; performance evaluation; skin burn; heat transfer model

10.13475/j.fzxb.201501015807

2013-11-12

2014-10-06

国家自然科学基金资助项目(51106022)；中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(14D110715117118)

田苗(1989—)，女，博士生。研究方向为服装功能与舒适性。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

TS 941.73

A