數(shù)值模擬在熱防護(hù)服裝性能測評(píng)中的應(yīng)用

田 苗, 李 俊

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心， 上海 200051；3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

?

數(shù)值模擬在熱防護(hù)服裝性能測評(píng)中的應(yīng)用

田 苗1,2,3, 李 俊1,2,3

(1. 東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2. 東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心， 上海 200051；3. 東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

對(duì)熱防護(hù)服裝性能合理的評(píng)價(jià)在公共安全領(lǐng)域具有重要意義。數(shù)值模擬成為繼試驗(yàn)研究之后相關(guān)領(lǐng)域的重要研究手段。從模型的建立及驗(yàn)證2方面出發(fā)，主要對(duì)傳熱模型、皮膚燒傷預(yù)測模型和火場環(huán)境仿真等相關(guān)研究進(jìn)行回顧，并對(duì)典型模型的發(fā)展過程、特點(diǎn)和不足進(jìn)行歸納。根據(jù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)測了熱防護(hù)服裝數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢。未來將在完善熱濕傳遞模型的基礎(chǔ)上，發(fā)展全尺度的數(shù)值模擬，并結(jié)合人體熱調(diào)節(jié)等模型對(duì)防護(hù)服進(jìn)行多方位的評(píng)價(jià)。通過在優(yōu)化熱防護(hù)服裝方面的應(yīng)用，充分體現(xiàn)數(shù)值模擬研究的實(shí)用價(jià)值。

數(shù)值模擬； 熱防護(hù)服； 性能測評(píng)； 皮膚燒傷； 傳熱模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法的研究得到了極大地推動(dòng)，從而使數(shù)值模擬的規(guī)模和精度不斷優(yōu)化。數(shù)值方法逐漸成為與理論分析、實(shí)驗(yàn)研究相并列的三大科學(xué)研究手段之一，可以對(duì)許多原本無法或很難用理論分析求解的復(fù)雜問題進(jìn)行模擬求解，比物理實(shí)驗(yàn)具有更大的自由度和靈活度；同時(shí)通過實(shí)現(xiàn)虛擬，現(xiàn)實(shí)環(huán)境、可視分析環(huán)境和協(xié)同仿真環(huán)境，數(shù)值模擬可以在一定程度上替代物理實(shí)驗(yàn)，節(jié)約試驗(yàn)成本，加快研究進(jìn)度，擴(kuò)大研究范圍[1]。

在目前服裝熱防護(hù)性能的測評(píng)中，普遍使用物理試驗(yàn)的方法，即通過TPP(Thermal Protective Performance，熱防護(hù)性能)試驗(yàn)或燃燒假人試驗(yàn)評(píng)估服裝的熱防護(hù)性能。這種試驗(yàn)具有破壞性及不可重復(fù)性，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度會(huì)受到環(huán)境和人為因素的影響，并且成本較高。由于服裝本身屬性特殊，服裝領(lǐng)域相關(guān)的數(shù)值模擬研究起步較晚，且多為國外學(xué)者所關(guān)注，國內(nèi)相關(guān)研究鮮見。隨著服裝領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究體系的逐漸完善，研究方法亟待突破，而數(shù)值模擬正是關(guān)鍵所在。服裝領(lǐng)域?qū)⒊蔀槔^暖通空調(diào)、機(jī)械制造、材料科學(xué)和航空學(xué)等領(lǐng)域[2-3]之后，數(shù)值模擬應(yīng)用的重要舞臺(tái)。

熱防護(hù)服裝數(shù)值模擬研究的目的是預(yù)測隨時(shí)間變化的織物、皮膚、空氣層中溫度、熱流的分布，燒傷等級(jí)的量化，及達(dá)到皮膚燒傷所需的時(shí)間等[4]。通過探索防護(hù)服中熱傳遞的物理現(xiàn)象，提高服裝的性能，并應(yīng)用在消防安全領(lǐng)域。數(shù)值模擬研究的關(guān)鍵問題是模型的建立和驗(yàn)證。

1 數(shù)值模型的建立

進(jìn)行數(shù)值模擬，首先要建立反映問題各變量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。處在火災(zāi)環(huán)境時(shí)，人體傷害的判定基于皮膚燒傷，造成燒傷的直接原因是火場環(huán)境，而在火場和人體皮膚之間的唯一屏障是消防服系統(tǒng)，因此，將數(shù)值模型的建立劃分為織物-空氣層-皮膚熱傳遞模型，皮膚模型和皮膚燒傷預(yù)測模型以及火場環(huán)境仿真3個(gè)部分進(jìn)行回顧和評(píng)價(jià)。

1.1 織物-空氣層-皮膚熱傳遞模型

數(shù)值研究的環(huán)境條件主要分為2種：強(qiáng)熱流閃火條件和中等熱流熱輻射條件。閃火主要發(fā)生在石油化工行業(yè)，時(shí)間少于5 s但伴隨強(qiáng)熱流[5]。由于許多消防員的燒傷是長時(shí)間暴露于中等輻射熱源引起的[6]，因此，有學(xué)者開展了熱輻射條件下的相關(guān)研究。另外，數(shù)學(xué)模型只能在一定程度上滿足實(shí)際條件，為了簡化模型，一般需要進(jìn)行假設(shè)。

1.1.1 模型假設(shè)

在模型維數(shù)和儀器形態(tài)的假設(shè)方面，Torvi[5]，Mell[6]，Ghazy[7]，Song[8]，Chitrphiromsri[9]等學(xué)者均采用了基于平壁假設(shè)的一維傳熱模型。Crown等[10]實(shí)驗(yàn)研究證明臺(tái)式測試不能獲得織物熱收縮對(duì)其熱防護(hù)性能的影響，因此，朱方龍等[11]假設(shè)模擬人體的圓柱體儀器內(nèi)是一維徑向傳熱。Sawcyn等[12]則運(yùn)用近似二維的方法改進(jìn)防護(hù)面料臺(tái)式測試中空氣層的熱傳遞模型。

對(duì)傳熱模型進(jìn)行的一般假設(shè)為：1) 織物為輻射灰體，質(zhì)量輸運(yùn)傳遞可忽略不計(jì)；2) 輻射熱流量能夠滲透到面料內(nèi)部一定深度；3) 織物面料的熱屬性與溫度相關(guān)；4) 人體體核溫度保持37 ℃恒溫等。另外，不同學(xué)者根據(jù)各自的研究領(lǐng)域也進(jìn)行了其他方面的假設(shè)，如：Torvi[5]，Song[8]，Chitrphiromstri等[9]通常不考慮空氣層中熱傳遞形式之間的相互作用；Ghazy等[7]則假設(shè)空氣層中傳導(dǎo)和輻射產(chǎn)生耦合作用等。

1.1.2 微分方程的建立

在建立數(shù)值模型時(shí)，根據(jù)特定的邊界條件，一般將模型分為織物、空氣層和皮膚3個(gè)部分。在織物暴露于熱源的表面發(fā)生輻射和對(duì)流熱傳遞?？諝鈱又械膫鳠岱绞奖容^復(fù)雜，當(dāng)其厚度小于6.4 mm時(shí)，傳熱方式為傳導(dǎo)和輻射，厚度為6.4 mm或更大時(shí)，空氣發(fā)生自然對(duì)流[5]，因此，建立空氣層中的微分方程時(shí)要考慮厚度的影響。

Torvi[5]利用有限元法建立了織物-空氣層-皮膚系統(tǒng)的微分方程

(1)

式(1)的初始和邊界條件為

t=0時(shí)，

(2)

x=0，t>0時(shí)，

(3)

x=Lb，t>0時(shí)，

(4)

式中：CA為顯熱容，J/K；qrad為輻射熱流，W/m2；k為導(dǎo)熱率，W/(m·℃)；γ為消光系數(shù)，1/m；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；Ti(x)為織物-空氣層-皮膚系統(tǒng)的初始溫度分布；Ta為環(huán)境溫度，K；h為對(duì)流傳熱系數(shù)W/(m2·K)。

Sawcyn等[12]開發(fā)二維改進(jìn)模型，模擬熱防護(hù)織物和傳感器之間水平空氣層的熱傳遞。將底部邊界作為一系列等溫矩形計(jì)算輻射傳熱，每個(gè)單元(j)到傳感器的輻射傳熱通過下式計(jì)算(忽略封閉空間與輻射發(fā)射率相關(guān)的散射和吸收)：

(5)

式中：A和ε分別為表面積(m2)和發(fā)射率。

考慮到空氣層中傳導(dǎo)和輻射之間的相互作用，Ghazy等[4]得出當(dāng)空氣層厚度小于6.4 mm時(shí)一維瞬態(tài)傳導(dǎo)-輻射傳熱方程。

(6)

Song[8]、Chitrphiromstri等[9]使用了Torvi[5]的方法建立了微分方程和邊界條件。Mell等[6]認(rèn)為各層織物之間輻射是雙向的，但未將織物的光學(xué)性能(透射率、反射率)用作模型的輸入?yún)?shù)。朱主龍等[11]建立模型時(shí)則未考慮源項(xiàng)，因?yàn)闇囟任催_(dá)到發(fā)生反應(yīng)的要求。

1.1.3 微分方程的求解

Torvi[5]使用有限元法解決微分方程，有限元計(jì)算機(jī)程序在Microsoft?QuickBASICTM4.5[13]中編寫。Song等[8]使用有限差分法解決假人表面每個(gè)傳感器處的微分方程。對(duì)于非線性的輻射方程，采用Gauss-Seidel逐點(diǎn)迭代的方法解決。Ghazy等[14]則運(yùn)用有限體積法對(duì)織物、空氣層和皮膚的能量方程、邊界條件進(jìn)行離散，使用完全隱式法進(jìn)行時(shí)間離散。Sawcyn[15]通過內(nèi)部代碼FASTEST3D (Flow Analysis by Solving Transport Equations Simulating Turbulence)解決控制方程。代碼基于有限體積法并寫入曲線坐標(biāo)，SIMPLE算法解決動(dòng)量方程，中心差分法離散發(fā)散熱流，代數(shù)方程則通過Stone的半隱式程序求解。

可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模型的建立和計(jì)算方法逐漸從有限差分法和有限元法，發(fā)展到有限體積法[16]。

1.2 皮膚模型和皮膚燒傷預(yù)測模型

1.2.1 皮膚模型

皮膚指身體表面包在肌肉外面的組織，主要承擔(dān)保護(hù)身體、排汗、感覺冷熱和壓力的功能。人體皮膚由表皮、真皮、皮下組織組成。常見的皮膚模型主要有Pennes皮膚模型[17]和熱波皮膚模型[18]。

Pennes模型是目前最常用的皮膚傳熱模型，其傳熱方程形式為

(7)

式中：ρs為皮膚的密度，kg/m3；cps為皮膚的比熱容，J/(kg·℃)；λs為皮膚的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ρb為血液的密度，kg/m3；cpb為血液的比熱容，J/(kg·℃)；λb為血液的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；ωb為血流灌注率。方程的內(nèi)邊界條件設(shè)定為體核37 ℃恒溫，初始條件為皮膚外、內(nèi)表面初始溫度值之間呈(34～37) ℃線性分布。

Pennes模型的建立基于經(jīng)典的傅里葉定律，主要針對(duì)皮膚瞬時(shí)熱流暴露，但器官系統(tǒng)需要熱弛豫時(shí)間τ來積聚傳遞到皮膚內(nèi)部所需的熱量。Liu等[18]提出了與皮膚模擬傳感器表面熱流相結(jié)合的熱波皮膚模型。

(8)

熱波皮膚模型代表的是有限速度熱傳遞，與傳統(tǒng)的熱傳導(dǎo)方程相比預(yù)測更加真實(shí)，但在描述快速傳熱的合理性方面存在一定爭議。

1.2.2 皮膚燒傷預(yù)測模型

一般通過估算穿過面料造成皮膚燒傷的總傳熱量來評(píng)價(jià)服裝的熱防護(hù)性能[14]。臺(tái)式測試?yán)肧toll等[19]提出的燒傷準(zhǔn)則評(píng)價(jià)面料樣本的TPP，而假人測試則是利用Henriques燒傷積分[20]評(píng)價(jià)整件服裝不同位置的TPP。

Stoll二級(jí)燒傷準(zhǔn)則是出現(xiàn)較早的皮膚燒傷預(yù)測模型。在恒定熱流的暴露下，銅片熱流計(jì)溫度歷史曲線和Stoll曲線相交，相交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為達(dá)到二級(jí)燒傷所需的時(shí)間。這種預(yù)測二級(jí)燒傷的方法無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，即可迅速預(yù)測燒傷。

Henriques燒傷積分模型是目前應(yīng)用最為廣泛的皮膚燒傷模型。Henriques發(fā)現(xiàn)皮膚的損傷可以通過化學(xué)反應(yīng)過程來表示，提出一階阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程，用于表示組織損傷速率。

(9)

式中：Ω為皮膚燒傷程度，無量綱；P為頻率因子，s-1；E為皮膚的活化能，J/mol；R為摩爾常數(shù)，8.31 J/(mol·℃)；t為皮膚溫度高于44 ℃的時(shí)間，s；T為皮膚下深度為x的絕對(duì)溫度，K。對(duì)式(9)進(jìn)行積分，得到Ω。皮膚溫度T>44 ℃且Ω=0.53 時(shí)，皮膚一級(jí)燒傷；皮膚溫度T>44 ℃且Ω≥1 時(shí)，皮膚二級(jí)燒傷。該模型適用于長時(shí)間低熱流條件下皮膚表層燒傷評(píng)價(jià)，而對(duì)于短時(shí)間高熱流條件下是否適用尚無定論。

另外，Autrique等[21]通過對(duì)Henriques、Mehta 和 Wong、Weaver和Stoll等皮膚燒傷預(yù)測模型的靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)多數(shù)模型參數(shù)都未進(jìn)行很好的定義，并認(rèn)為影響模型準(zhǔn)確度的關(guān)鍵參數(shù)為表皮和真皮層的體積熱容、消光系數(shù)和皮膚厚度。對(duì)于燒傷預(yù)測，活化能是保證預(yù)測有效性的關(guān)鍵參數(shù)。

1.3 火場環(huán)境仿真

消防員作業(yè)時(shí)需頻繁出入火災(zāi)現(xiàn)場，模擬火場環(huán)境可以更加真實(shí)可靠地評(píng)價(jià)消防服的熱防護(hù)性能。消防科學(xué)與火災(zāi)科學(xué)在該方向的研究成果較為顯著。

火災(zāi)試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，目前能夠進(jìn)行火場環(huán)境仿真的為TPP測試及燃燒假人試驗(yàn)，它們分別從織物和服裝的層次完成火場環(huán)境中的測試。

作為模型實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充研究方法，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到了越來越多的應(yīng)用。得益于計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)成為火災(zāi)數(shù)值模擬的主要手段[22]。耿鵬[23]針對(duì)室內(nèi)火災(zāi)的過程利用FLUENT、CFAST軟件，以典型的建筑室內(nèi)結(jié)構(gòu)及火災(zāi)荷載為例，研究室內(nèi)火災(zāi)的煙氣熱量分布、建筑火災(zāi)中煙氣的溫度和煙氣流動(dòng)速度等。根據(jù)計(jì)算得到火災(zāi)和煙氣在建筑物內(nèi)的發(fā)展情況，確定建筑物的火災(zāi)安全狀況，并分析有關(guān)消防設(shè)施的功能、人員的安全疏散。火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)形成密集湍流，并伴有燃燒和輻射熱。在服裝領(lǐng)域，Jiang等[24]利用CFD軟件FrontFlow/Red(FFR)模擬燃燒室中火焰燃燒時(shí)的氣流和熱傳遞。FFR綜合運(yùn)用了Large Eddy Simulation(LES)和Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)模擬湍流，可以通過超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行高效的并行計(jì)算。

1.4 模型的發(fā)展過程、特點(diǎn)與不足

選取具有代表性的歷年模型，對(duì)其發(fā)展過程以及模型的特點(diǎn)與不足進(jìn)行了歸納，如表1所示。

表1 模型發(fā)展過程

熱防護(hù)服裝數(shù)值模擬研究主要分為3個(gè)階段：第1階段單純考慮織物-空氣層-皮膚系統(tǒng)的熱傳遞建立傳熱模型。第2階段出現(xiàn)了熱濕傳遞模型(在普通織物常溫狀態(tài)下的研究比較常見)。由于濕傳遞機(jī)制復(fù)雜，并且熱傳遞模型仍然存在問題，因此，有學(xué)者仍致力于完善傳熱模型。對(duì)于傳熱模型的優(yōu)化集中在對(duì)空氣層中傳熱的討論：一種認(rèn)為空氣層中的傳熱方式會(huì)產(chǎn)生相互作用，進(jìn)行傳導(dǎo)-輻射耦合模擬；另一種假設(shè)傳熱方式相互獨(dú)立，但利用二維的方法進(jìn)行模擬。第3階段，開始利用CFD進(jìn)行服裝整體的熱防護(hù)性能研究。

2 數(shù)值模型的驗(yàn)證

由于數(shù)值模型求解的問題比較復(fù)雜，如非線性方程的數(shù)值求解方法在理論上不夠完善，需要通過試驗(yàn)來加以驗(yàn)證。在服裝領(lǐng)域的數(shù)值模擬主要采用數(shù)學(xué)方法和試驗(yàn)方法來進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2.1 數(shù)學(xué)方法驗(yàn)證

Torvi[5]利用幾個(gè)簡化的案例，如：半無限大固體[25]，兩層半無限大固體，集總熱容分析和擁有變導(dǎo)熱系數(shù)的半無限大固體等，分別驗(yàn)證計(jì)算機(jī)程序的各個(gè)部分。

Mell等[6]比較了數(shù)值模擬結(jié)果與簡化問題的精確解。通過比較檢測數(shù)值模擬的效果，確定一定精確程度的網(wǎng)格解析度。確認(rèn)數(shù)值模型是否可以在材料界面很好地解決傳熱系數(shù)不連續(xù)的問題。與傳導(dǎo)熱流不同，輻射熱流直接模擬獲得，它的精確度取決于輻射熱傳遞物理模型的準(zhǔn)確性以及光學(xué)性能參數(shù)的應(yīng)用，而不是微分計(jì)算的準(zhǔn)確性。

早期研究數(shù)值模擬的學(xué)者，如Torvi[5]和Mell等[6]均使用數(shù)學(xué)方法計(jì)算精確解或比較研究的方式對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。Song[8]、Chitrphiromsri[9]和Sawcyn[15]等的數(shù)值模擬方法多是從Torvi[5]的成果演化而來，因此，可以認(rèn)為這些學(xué)者只是在文獻(xiàn)中省略了數(shù)學(xué)方法驗(yàn)證的過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是目前數(shù)值模擬當(dāng)中常用的驗(yàn)證方法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)慣例設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，也有少數(shù)學(xué)者，如Torvi[5]和Sawcyn[15]等將流場可視化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到數(shù)值模擬的驗(yàn)證當(dāng)中。

2.2.1 臺(tái)式測試或假人測試

在TPP測試中，Torvi[5]利用紅外溫度計(jì)和熱電偶測量織物和襯墊的溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定性地討論了織物的熱響應(yīng)。朱方龍等[11]在同等受熱條件下分別模擬和測試了芳綸Metamax?織物和阻燃棉織物的表面溫度。Ghazy等[7]使用皮膚模擬材料及固定的空氣層厚度6.4 mm，模擬TPP測試[9]，比較測試、預(yù)測的皮膚表面溫度隨時(shí)間的變化趨勢，判斷模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

Song等[8]開發(fā)的數(shù)值模型可以預(yù)測強(qiáng)熱環(huán)境中通過服裝的熱傳遞。利用PyroMan燃燒假人系統(tǒng)，對(duì)比燒傷等級(jí)的比例和分布來驗(yàn)證模型。Jiang等[24]開發(fā)了AFFECTION程序，計(jì)算通過服裝和人體皮膚的輻射、傳導(dǎo)綜合熱傳遞。通過模擬ISO6942對(duì)AFFECTION進(jìn)行驗(yàn)證，通過模擬ISO/FDIS 13506，進(jìn)行假人層次燒傷實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證模擬結(jié)果。

2.2.2 流場可視化實(shí)驗(yàn)

最早使用流場可視化方法的是Torvi[5]，他證實(shí)當(dāng)空氣層厚度為6.4 mm或更大時(shí)，空氣發(fā)生自然對(duì)流，并利用流場可視化的方法描述了空氣層中的氣流形態(tài)。Sawcyn[15]進(jìn)行流場可視化試驗(yàn)時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑?，輔助確定了模型中產(chǎn)生對(duì)流傳熱的部分。

數(shù)學(xué)驗(yàn)證的方法比較準(zhǔn)確，但會(huì)受到模型假設(shè)的影響，且輻射傳熱部分不易驗(yàn)證；試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果比較直觀，但會(huì)受到試驗(yàn)環(huán)境、人為因素等的影響，并且在試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)上沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用數(shù)學(xué)驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，可以相對(duì)完整地對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。但是，無論是TPP臺(tái)式測試還是燃燒假人測試，測試結(jié)果與模擬結(jié)果之間吻合度的判定都需要建立相對(duì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。

3 熱防護(hù)服裝數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢

在過去的50年中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使其性能得到了空前的提高，推動(dòng)了數(shù)值計(jì)算方法的研究，使數(shù)值模擬的規(guī)模和精度不斷優(yōu)化。這為開展服裝熱防護(hù)領(lǐng)域的數(shù)值模擬研究創(chuàng)造了良好的條件。軟件和平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化，令通用設(shè)備上所實(shí)現(xiàn)的計(jì)算模型更容易擴(kuò)展到大規(guī)模并行環(huán)境[26]，云計(jì)算[27]的出現(xiàn)提供了更為靈活的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)。另外，人體熱生理模型[28-29]和室內(nèi)火災(zāi)[30-31]等研究為熱防護(hù)服性能的數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)，而3D掃描儀及CFD的應(yīng)用[32]則為相關(guān)研究提供了技術(shù)支持。熱防護(hù)服裝數(shù)值模擬的發(fā)展趨勢主要有：

1) 服裝-空氣層-皮膚系統(tǒng)熱濕傳遞模型準(zhǔn)確度的提高。數(shù)值模擬中參數(shù)的敏感度研究說明，已有研究使用的某些輸入?yún)?shù)并不精確，因此，在建立新的模型時(shí)，要對(duì)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行論證，判斷其是否有效。采用準(zhǔn)確的邊界條件，選取合適燃燒模型，考慮服裝熱收縮對(duì)熱傳遞的影響等都是提高模型準(zhǔn)確度的途徑。

2) 服裝層次全尺度模擬規(guī)模的提高。目前服裝領(lǐng)域的數(shù)值模擬多局限于織物層次，僅有少數(shù)服裝層次數(shù)值模擬的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)的應(yīng)用及學(xué)科交叉的深入，服裝層次全尺度的數(shù)值模擬的規(guī)模和精度將得到提高。

3) 人體熱調(diào)節(jié)模型的應(yīng)用。目前對(duì)于人體熱調(diào)節(jié)模型以及熱舒適性的評(píng)價(jià)已經(jīng)發(fā)展到一定階段，隨著在高溫環(huán)境預(yù)測準(zhǔn)確度的提高，有必要將其引入到熱防護(hù)服的舒適性評(píng)價(jià)中。從人體熱感覺的角度，完善熱防護(hù)服在火災(zāi)環(huán)境中的數(shù)值模擬，使其不僅可以進(jìn)行熱防護(hù)性能的評(píng)價(jià)，而且可以進(jìn)行熱舒適性能的評(píng)價(jià)。

4) 室內(nèi)火災(zāi)與煙氣流動(dòng)模擬?；馂?zāi)環(huán)境中，消防服或其他建筑材料在受熱或燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的煙氣，煙氣的危害性主要是其毒性和遮光性。對(duì)于燃燒假人的室內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的模擬，是從安全性的角度考慮對(duì)消防員的影響，更加全面地評(píng)估服裝的防護(hù)性能，減少安全隱患。

4 結(jié) 語

熱防護(hù)服裝系統(tǒng)是火場或高溫環(huán)境中對(duì)消防員等作業(yè)人員產(chǎn)生保護(hù)的唯一屏障，是服裝領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。熱防護(hù)服裝性能數(shù)值模擬的目的并不是完全取代所有真實(shí)試驗(yàn)，而是為熱傳遞和燒傷過程提供有效的信息，從而減少實(shí)驗(yàn)的人力耗費(fèi)，并指導(dǎo)進(jìn)一步探索的方向。本文主要對(duì)20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外熱防護(hù)服裝領(lǐng)域的數(shù)值模擬進(jìn)行了回顧。以數(shù)值模擬的應(yīng)用方法為主線，總結(jié)了數(shù)值模擬在服裝熱防護(hù)性能測評(píng)中的作用；結(jié)合相關(guān)研究和技術(shù)的發(fā)展，概述了該方向未來的發(fā)展趨勢。目前的研究主要集中在小規(guī)模的織物層次，解決織物-空氣層-皮膚系統(tǒng)的熱濕傳遞問題，并有少量對(duì)于服裝層次或全尺度燃燒假人層次的研究。未來的研究趨勢將是在完善熱濕傳遞模型的基礎(chǔ)上，開展全尺度的數(shù)值模擬；結(jié)合人體熱調(diào)節(jié)等模型對(duì)防護(hù)服進(jìn)行多方位的評(píng)價(jià)，從而更好地得到反饋并應(yīng)用在熱防護(hù)服裝的優(yōu)化方面，充分體現(xiàn)數(shù)值模擬研究的實(shí)用價(jià)值。

[1] 何雅玲, 王勇, 李慶. 格子Boltzmann方法的理論及應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)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] 朱方龍，王秀娟，張啟澤，等. 火災(zāi)環(huán)境下應(yīng)急救援防護(hù)服傳熱數(shù)值模擬[J]. 紡織學(xué)報(bào), 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] 王福軍. 計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)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，黃顯青，等. 地鐵火災(zāi)數(shù)值模擬研究最新進(jìn)展[J]. 消防技術(shù)與產(chǎn)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] 耿鵬. 室內(nèi)火災(zāi)數(shù)值模擬[D]. 太原：中北大學(xué), 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] 徐煒民, 嚴(yán)允中. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[M]. 3版. 北京: 電子工業(yè)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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51106022)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(14D110715117118)

田苗(1989—)，女，博士生。研究方向?yàn)榉b功能與舒適性。李俊，通信作者，E-mail: lijun@dhu.edu.cn。

TS 941.73

A