相變材料低溫御寒仿真模型研究

唐韻清 丁聕天 徐 婧 王一諾 馬 瑞

（山東科技大學濟南校區(qū)財經(jīng)系,山東 濟南250031）

在一些低溫的環(huán)境中,人們需要穿著低溫防護服才能夠完成作業(yè),從而實現(xiàn)在低溫環(huán)境下的正常工作,對于低溫防護服的研究是非常重要的,防護服最大承受重量為100KG,在時間每增加10s 的情況下,最大承受重量將會下降0.5KG,對于防護服進行厚度的計算使其能夠堅持較長時間,在不增加資金的情況下增加戶外運動量,計算中間功能放熱能力的實際提升幅度來保證其能夠堅持較長時間,通過對于低溫下的防護服進行研究與模擬將可以建立更為合理的模型來優(yōu)化其設計。

1 問題分析

首先,本文建立傳熱模型,對于實際情況下實驗者的熱量傳遞進行分析,從而能夠得到室外與身體的熱量交互過程能夠得到其實時的溫度,建立相關模型來更加有效地預估實際堅持的時間。加入風速條件,對于前文模型盡心改進,在此基礎上對于熱量的散失等過程來完成模擬,從而能夠再次優(yōu)化其時間。其次,實驗者在穿著防護服的情況下的預測方式進行優(yōu)化,對于在較長時間的運行過程中可能產(chǎn)生的重量影響來完成對于其有效厚度的優(yōu)化,使其能夠滿足于當前的條件。最后,對于其戶外運動量進行模擬,對于中間功能層部分的放熱能力來實現(xiàn)優(yōu)化,從而能夠保障其在室外的堅持時間不會降低,從而能夠讓其在較為寒冷的環(huán)境中堅持較長時間。

2 模型的建立與求解

環(huán)境溫度與平衡熱流密度、熱調(diào)節(jié)能力存在極顯著線性負相關關系,與總散熱量存在極顯著線性正相關關系,相變材料用量與平衡熱流密度存在極顯著線性負相關關系,與總散熱量、熱調(diào)節(jié)能力存在極顯著的線性正相關關系,相變溫度與平衡熱流密度、總散熱量、熱調(diào)節(jié)能力都存在極顯著線性正相關關系。模擬環(huán)境下的測試結果也存在不同,防護服的面料、結構和工藝等均影響到其整體隔熱性能。防護服裝的全面評價通常涉及安全性、工效學特性等多個方面,有必要從服裝的舒適性、工效學特性等方面進一步研究,并開展大規(guī)模的現(xiàn)場人體穿著實驗,從而為高低溫防護服的選用和設計改進等提供依據(jù)。在一些低溫的環(huán)境中,人們需要穿著低溫防護服才能夠完成作業(yè),從而實現(xiàn)在低溫環(huán)境下的正常工作,對于低溫防護服的研究是非常重要的。為了對實驗者的實際熱量傳遞過程進行計算,建立熱傳導模型,從而能夠完成熱量傳遞過程的模擬,其具體的模型應當如下,假設厚度為d 的防護服,兩側溫度差為ΔT,熱量Q 與ΔT 成正比,與d 成反比,即：

其中k=λtA,為熱傳導系數(shù)。λ 為導熱系數(shù),t 為傳導時間。防護服單位時間單位面積的熱量傳導為：

多層防護服單位時間單位面積的熱量傳導為：

對于防護服的最終熱量傳遞效能進行計算時,取k1/k2=16,得：

對于其風速條件進行加入,對于模型進行改進,在此基礎上對于熱量的散失等過程來完成模擬,從而能夠再次優(yōu)化其時間。風速與最終停留時間的下降幅度有著密切的關系,在風速為3m/s 時,其應當在活動2 分鐘后即要準備返回,避免出現(xiàn)溫度過低的問題。由此就可以得到在無風情況下實驗者溫度的最終傳遞過程,為了計算得到其合理化的時間,對其進行優(yōu)化,其主要方式是通過傳熱過程來計算得到每一時刻人體表面的最終溫度,使其滿足于最低條件。

在此基礎上進行優(yōu)化,從而能夠得到較為合理的時間。

圖1 隔熱效果優(yōu)化

通過計算與優(yōu)化,可以通過迭代的方法計算得到其最大值,從而明確可停留的時間。

表1 持續(xù)時間優(yōu)化

可以看出,在此條件之下,可以在戶外停留的時間為191s左右,在超出這個時間后,身體溫度將會下降到15℃以下,從而無法完成更進一步的其他工作,因此該時間即為環(huán)境溫度在-40℃情況下的停留最長時間。在實際的工作過程當中,室外應當是有風的,因此還需要進一步考慮空氣對流的情況,考慮到防護服外部與內(nèi)部的對流計算后才能夠使得最終的溫度分布更為科學合理,因此需要對于模型進行改進。改進的模式即為在原有基礎上增加風力條件,考慮風力給多層防護服所帶來的影響。在風力為3m/s 的情況下,其應當被優(yōu)化為：

風速與最終的持續(xù)時間下降幅度應當存在著一定的關聯(lián),對于原有計算模式進行分析,從而能夠得到風速與下降幅度的關系,明確其變化趨勢。對于無風的條件下,需要考慮到實驗者的防護服還需要一定的厚度,身體在承受時間較長時就會出現(xiàn)下降,每增加10s,就會降低一定的最大承受重量,因此需要對于防護服的厚度來進行優(yōu)化,從而避免其由于時間過久而無法承受防護服的重量。要保證其資金不會超出原有的1.5 倍,同時盡量增加其在外停留的時間。其有效的解決方法應當分別為隔熱層和內(nèi)層增加到0.4mm 和0.8mm,此時可以在資金允許的情況下提升其在室外的時間,最終時間將達到235s,有著較大幅度的提升,能夠滿足當前的需求。測試低溫環(huán)境中,相變防護服的防護時間,同時測試了皮膚溫度、微氣候溫度、口腔溫度以及人體主觀熱感覺。通過實驗數(shù)值與計算數(shù)值比較,理論計算結果與實驗測試結果有很好的一致性,低溫環(huán)境下,人體處于站立靜止或輕微活動,無風無太陽輻射作用時,防護服的防護時間的計算公式適用,為了在不增加資金的情況下實現(xiàn)對于其防護服的優(yōu)化,就需要提升中間層的放熱能力,在當前的條件下,對于其隔熱層的效果進行分析,通過優(yōu)化可以得到其應當提升的放熱能力幅度。在這樣的放熱能力條件下,能夠保證其時間不低于原有優(yōu)化的時間,此時放熱能力應當達到原有材料的3倍以上。模型能夠對于防護服的相關參數(shù)進行優(yōu)化,使其能夠滿足于實際條件同時控制成本,在相關環(huán)境下都能夠盡量提升在室外的停留時間,同時由于計算量較為復雜,因此還需要對于算法進行更進一步的設計。模型在對于相關防護服設計等問題時可以進行推廣,通過這樣的模式來完成優(yōu)化,從而讓溫度等條件能夠得到滿足,有利于實際生產(chǎn)與工作。

3 結論

在低溫的環(huán)境中人們需要穿著低溫防護服才能夠完成作業(yè),因此對于低溫防護服的研究是非常重要的。首先建立傳熱模型,從室外與身體的熱量交互過程得到當時的溫度,然后對風速熱量的散失等過程來完成模擬,其次對于在較長時間的運行過程中可能產(chǎn)生的重量影響來完成對于其有效厚度的優(yōu)化,使其能夠滿足于當前的條件。最后在對戶外運動量進行模擬,從而能夠保障其在室外的堅持時間不會降低,能夠讓其在較為寒冷的環(huán)境中堅持較長時間。