高溫作業(yè)專用服裝設(shè)計(jì)的熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型研究

賀艷琴 陜西服裝工程學(xué)院 基礎(chǔ)部

1 研究目的與研究現(xiàn)狀

1.1 研究目的

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們的生命財(cái)產(chǎn)安全越來(lái)越重要。高溫作業(yè)專用服在日常生活中必不可缺,因此降低研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期顯得尤為重要。當(dāng)人們進(jìn)行救火、高溫?fù)屝薜纫幌盗懈邷刈鳂I(yè)時(shí), 需要穿上特制的服裝來(lái)預(yù)防灼傷。長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作會(huì)對(duì)工作人員的生理及心理狀態(tài)產(chǎn)生影響,引發(fā)各種意外和危機(jī)。因此，如何設(shè)計(jì)高溫作業(yè)專業(yè)服裝,已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)。

運(yùn)用相關(guān)服裝設(shè)計(jì)、物理知識(shí)、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值算法建立衣服各層材料的熱傳導(dǎo)偏微分方程,結(jié)合各層交界處熱傳導(dǎo)平衡且溫度相同的條件,建立溫度分布模型，為解決高溫作業(yè)服裝設(shè)計(jì)的熱傳遞和各層厚度等問(wèn)題提供了理論依據(jù)。

1.2 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于熱防護(hù)服熱傳遞模型的研究方興未艾。如今對(duì)熱防護(hù)服導(dǎo)熱模型的主流劃分方式為單層和雙層模型。對(duì)于單層模型，Gibson 首先提出了單層多孔介質(zhì)在高溫下的導(dǎo)熱模型，但忽略了織物層中的熱輻射。Torvi 后來(lái)建立的可計(jì)算冷卻過(guò)程中的內(nèi)部傳熱的熱傳遞模型，不僅充分考慮了強(qiáng)輻射對(duì)傳熱的影響，還考慮到了空氣層的厚度對(duì)防熱服傳熱性能的影響。Ghazy 在Gibson、Toriv 等人建立的模型的基礎(chǔ)上，將熱傳導(dǎo)、比熱采用經(jīng)驗(yàn)公式，變量取代常量，建立了更為精確的單層織物熱傳遞運(yùn)動(dòng)模型。Mell 基于單層模型的研究基礎(chǔ)，提出了多層面料間的傳熱模型，Lawson、Ghazy 后來(lái)提出了多層織物的熱濕傳遞模型，考慮了空氣層對(duì)熱防護(hù)服傳熱的影響。

2 研究?jī)?nèi)容

本文主要研究在特定的高溫環(huán)境下的專用服裝參數(shù)與性能的相關(guān)問(wèn)題?；诟道锶~定律與Torvi 模型建立高溫輻射模型、高溫傳導(dǎo)模型、高溫對(duì)流模型；高溫作業(yè)專用服第Ⅰ層的熱量主要來(lái)源于高溫環(huán)境的熱輻射、熱傳導(dǎo)以及熱空氣的對(duì)流作用，根據(jù)已經(jīng)建立好的熱輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流等多個(gè)函數(shù)，并通過(guò)耦合建立高溫作業(yè)服裝第Ⅰ層熱傳遞函數(shù)；第Ⅱ?qū)优c第Ⅲ層的熱量求解過(guò)程中考慮只來(lái)源于熱傳導(dǎo)作用，基于此建立第Ⅱ?qū)优c第Ⅲ層的熱傳遞模型；第Ⅳ層的熱量主要來(lái)源于熱輻射和熱傳導(dǎo)作用，通過(guò)耦合建立空氣層的熱傳遞函數(shù)。

3 研究方法

(1）通過(guò)閱讀文獻(xiàn)、實(shí)際調(diào)查，,結(jié)合服裝設(shè)計(jì)公司對(duì)高溫作業(yè)專用服裝的設(shè)計(jì)情況和市場(chǎng)的需求，進(jìn)行分析研究；

(2）利用建模思想、最優(yōu)化理論、物理知識(shí)、數(shù)學(xué)算法，初步建立要研究的數(shù)學(xué)模型（熱傳導(dǎo)偏微分方程模型、單目標(biāo)規(guī)劃模型、雙目標(biāo)規(guī)劃模型等）；

(3）通過(guò)有限差分法、最小二乘法等數(shù)值計(jì)算方法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到了溫度分布情況和最優(yōu)厚度，解決了高溫作業(yè)服裝設(shè)計(jì)的熱傳遞和各層厚度問(wèn)題。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

本文主要針對(duì)高溫作業(yè)專用服裝設(shè)計(jì)，運(yùn)用建模思維、最優(yōu)化理論、物理知識(shí)、數(shù)學(xué)算法、計(jì)算機(jī)軟件建立熱傳導(dǎo)偏微分方程模型。利用數(shù)值模擬算法得到專用服裝溫度分布；利用多層材料熱傳遞過(guò)程的微分方程及其差分離散化,采用變步長(zhǎng)遍歷搜索法、數(shù)值模擬及離散化有限差分?jǐn)?shù)值解法篩選出各層最優(yōu)厚度。

本項(xiàng)目所建立的模型是以理論基礎(chǔ)為支撐，使用基于傅里葉定律的溫度偏微分反方程模型解決高溫作業(yè)服裝設(shè)計(jì)問(wèn)題, 是以Torvi 模型為基礎(chǔ), 并結(jié)合傅里葉定律加以改進(jìn)和完善的模型整合, 它較好地反映了專用服裝在各個(gè)層次之間的溫度分布的大致情況, 具有較高的精確度和準(zhǔn)確性, 所得結(jié)果完全可以適用于實(shí)際問(wèn)題的解決。

5 推廣價(jià)值

本文通過(guò)建立關(guān)于高溫作業(yè)專用服裝的熱傳導(dǎo)偏微分方程模型，一方面解決了高溫作業(yè)專用服裝設(shè)計(jì)中的熱傳遞和各層厚度問(wèn)題，另一方面，降低了研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期。