基于有限差分法的高温作业专用服装设计

刘明

摘 要：消防和金属炼钢等行业中，工作人员在高温环境工作需要穿着专用服装，其通常是由三层织物材料组成，为了设计更合理的多层热防护服，本文将用37oC恒温假人置于高温环境下展开实验，通过大量数据分析，根据热力学傅里叶定律，采用显热容和热传导系数随温度变化的经验公式，研究多层热防护服、空气层和假人的热传导过程，分析实际情况下高温环境与织物层、织物层与织物层、织物层与空气层、空气层与假人之间的热传导的初始条件和边界条件，建立一维非线性常系数偏微分抛物型方程组，采用有限差分法求解。对热防护专业服装进行研究，确定热防护服各层温度分布情况。为热防护服的功能性设计提供理论参考。

关键词：多层热防护服：热传递模型：有限差分法

消防等行业的工作人员在高温环境下工作，皮肤容易受到热损伤，热防护服是指在高温中穿用的、能夠促使人体热量散发，防止热中暑、烧伤和灼伤等危害的个体防护服装。热防护服在拥有普通防护服性能的同时，更具备人体在高温下进行安全防护的功能。热防护服的原理就是减缓热转移的速度，使热量在人体皮肤上的尽少积聚，以保护皮肤不被烧伤或灼伤。因此，建立高温环境下的热防护服装设计模型，并且结合人体皮肤烧伤度，为热防护服提供理论依据十分重要。

1 模型的建立

测试环境温度和各层织物的性质的具体数值，结合傅里叶定律和热传导的控制方程，建立了多层热防护服-空气层-假人系统的热传导模型。然后采用显热容和热传导系数随温度变化的经验公式，研究多层热防护服、空气层和假人的热传导过程，分析实际情况下高温环境与织物层、织物层与织物层、织物层与空气层、空气层与假人之间的热传导的初始条件和边界条件，建立一维非线性常系数偏微分抛物型方程组，采用有限差分法求解。最后利用上述数学模型和MATLAB软件编写程序，得到实验结果，画出热防护服各层温度分布平面图。

根据假人温度分布情况，将模型分为稳态和非稳态两部分。

1.1 稳态部分各织物层温度方程

2 模型结果表示分析

根据初值条件和边界条件，采用有限差分向前差分格式分析，应用MATLAB软件，得到下图。

图中显示了热防护服多层热传递模型在上述参数模拟环境下，各层温度变化趋势以及分布图。其中图中由下至上分别代表了热防护层的第Ⅰ至Ⅳ层。

由分布图可知，第Ⅰ层织物材料，在 0-425s 时间段内温度上升较快，最后温度稳定在 74.68°C 左右上下波动;第Ⅱ层织物材料，在 0-810s时间段内温度上升较快，温度在 58.35°C 左右上下波动;第Ⅲ层织物材料的温度，在 0-790s 时间段内温度上升较快，温度保持在 46.17°C 左右;第Ⅳ层，即第三层与皮肤之间，在 0-880s 时间段内的温度上升较快，最后缓慢上升并在 47.12°C 左右上下浮动。

3 结语

本文建立了描述高温环境下热防护服多层热传递的数学模型，通俗易懂，同时与实际情况相符合，没有产生太大的误差。并且详细给出了数值求解过程与结果。表明我们建立的模型的合理性。在未来应用中，本模型可以用于消防、金属冶炼等不同高温环境中作业人员专用服装的设计。

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