高温作业专用服装设计的热传导数学模型研究

贺艳琴 陕西服装工程学院 基础部

1 研究目的与研究现状

1.1 研究目的

随着社会的发展,人们的生命财产安全越来越重要。高温作业专用服在日常生活中必不可缺,因此降低研发成本、缩短研发周期显得尤为重要。当人们进行救火、高温抢修等一系列高温作业时, 需要穿上特制的服装来预防灼伤。长期在高温环境下工作会对工作人员的生理及心理状态产生影响,引发各种意外和危机。因此，如何设计高温作业专业服装,已经成为人们日益关注的焦点。

运用相关服装设计、物理知识、数学模型和数值算法建立衣服各层材料的热传导偏微分方程,结合各层交界处热传导平衡且温度相同的条件,建立温度分布模型，为解决高温作业服装设计的热传递和各层厚度等问题提供了理论依据。

1.2 研究现状

目前，国内外学者对基于热防护服热传递模型的研究方兴未艾。如今对热防护服导热模型的主流划分方式为单层和双层模型。对于单层模型，Gibson 首先提出了单层多孔介质在高温下的导热模型，但忽略了织物层中的热辐射。Torvi 后来建立的可计算冷却过程中的内部传热的热传递模型，不仅充分考虑了强辐射对传热的影响，还考虑到了空气层的厚度对防热服传热性能的影响。Ghazy 在Gibson、Toriv 等人建立的模型的基础上，将热传导、比热采用经验公式，变量取代常量，建立了更为精确的单层织物热传递运动模型。Mell 基于单层模型的研究基础，提出了多层面料间的传热模型，Lawson、Ghazy 后来提出了多层织物的热湿传递模型，考虑了空气层对热防护服传热的影响。

2 研究内容

本文主要研究在特定的高温环境下的专用服装参数与性能的相关问题。基于傅里叶定律与Torvi 模型建立高温辐射模型、高温传导模型、高温对流模型；高温作业专用服第Ⅰ层的热量主要来源于高温环境的热辐射、热传导以及热空气的对流作用，根据已经建立好的热辐射、传导、对流等多个函数，并通过耦合建立高温作业服装第Ⅰ层热传递函数；第Ⅱ层与第Ⅲ层的热量求解过程中考虑只来源于热传导作用，基于此建立第Ⅱ层与第Ⅲ层的热传递模型；第Ⅳ层的热量主要来源于热辐射和热传导作用，通过耦合建立空气层的热传递函数。

3 研究方法

(1）通过阅读文献、实际调查，,结合服装设计公司对高温作业专用服装的设计情况和市场的需求，进行分析研究；

(2）利用建模思想、最优化理论、物理知识、数学算法，初步建立要研究的数学模型（热传导偏微分方程模型、单目标规划模型、双目标规划模型等）；

(3）通过有限差分法、最小二乘法等数值计算方法对模型进行求解，得到了温度分布情况和最优厚度，解决了高温作业服装设计的热传递和各层厚度问题。

4 创新点

本文主要针对高温作业专用服装设计，运用建模思维、最优化理论、物理知识、数学算法、计算机软件建立热传导偏微分方程模型。利用数值模拟算法得到专用服装温度分布；利用多层材料热传递过程的微分方程及其差分离散化,采用变步长遍历搜索法、数值模拟及离散化有限差分数值解法筛选出各层最优厚度。

本项目所建立的模型是以理论基础为支撑，使用基于傅里叶定律的温度偏微分反方程模型解决高温作业服装设计问题, 是以Torvi 模型为基础, 并结合傅里叶定律加以改进和完善的模型整合, 它较好地反映了专用服装在各个层次之间的温度分布的大致情况, 具有较高的精确度和准确性, 所得结果完全可以适用于实际问题的解决。

5 推广价值

本文通过建立关于高温作业专用服装的热传导偏微分方程模型，一方面解决了高温作业专用服装设计中的热传递和各层厚度问题，另一方面，降低了研发成本，缩短了研发周期。