消防服用阻燃織物在火場環(huán)境下熱濕耦合過程的研究進展

楊 柳,李 龍,房津田,楊 潘,王 丹,趙 靜,吳亞楠

(1.西安建筑科技大學(xué)華清學(xué)院,陜西 西安 710043;2.陜西中天火箭技術(shù)股份有限公司,陜西 西安 710025;3.陜西生態(tài)水泥股份有限公司,陜西 西安 710000)

消防員滅火防護服屬于熱防護服的一種,是保護消防員人身安全的重要裝備之一[1]。消防員在消防過程中主要的熱傷害是由輻射造成的,一般能達到40 kW/m2。訓(xùn)練過程中,在燃燒房屋中的測試顯示(如圖1所示),消防員作業(yè)環(huán)境主要為5 kW/m2～10 kW/m2的輻射熱,然而在某些點處的熱載荷會驟升。例如,火災(zāi)現(xiàn)場曾測得42 kW/m2的輻射熱。在高度為1米時,溫度能達到100℃～190℃,極端情況下甚至高達278℃[2,3]。

圖1 消防員所處的環(huán)境

美國消防安全協(xié)會(NFPA)規(guī)范NFPA-1971與歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范EN-469,均要求熱防護服必須由四層組成,即防火外層、防水透濕層、隔熱防火層、舒適層。消防員在執(zhí)行任務(wù)時,消防服可能會被水浸濕,部分水分會從消防服外層進入內(nèi)層,出現(xiàn)外部高溫和水分并存的熱濕環(huán)境。消防員在高強度運動下,自身也會產(chǎn)生大量汗液,形成內(nèi)部微循環(huán)的熱濕環(huán)境[4]。因此,利用數(shù)值模擬建立完善的火場環(huán)境下的熱濕耦合過程模型,對于保證消防員作業(yè)時著裝安全,減少作戰(zhàn)時傷亡是十分必要的。在此基礎(chǔ)上亦可提高消防服質(zhì)量檢測的全面性及準(zhǔn)確性,同時為阻燃面料的開發(fā)提供更可靠的依據(jù)。

1 消防員在作業(yè)環(huán)境下的熱濕耦合作用機制

根據(jù)傳熱傳質(zhì)原理,織物系統(tǒng)內(nèi)的熱量傳遞和水分傳遞不是互相獨立的過程[5]。原因在于:水分會改變織物的熱導(dǎo)率、比熱容等物理性能,以及輻射吸收系數(shù)、透過率等光學(xué)性質(zhì);水分在吸濕/解吸、蒸發(fā)/冷凝過程中均會吸收或釋放熱量,呈現(xiàn)出熱濕耦合效應(yīng),導(dǎo)致織物及服裝中的熱傳遞機制發(fā)生變化。消防服系統(tǒng)中常見來自外界的水分以及人體出汗產(chǎn)生的水分,包括氣態(tài)和液態(tài)[6,7]。以下將水分來源分為三類進行說明:

1.1 織物內(nèi)部水分

探索織物中的水分對熱傳遞的影響,是研究熱濕耦合作用的第1階段,此類研究大都采用織物預(yù)加濕的方法,忽略織物的吸濕過程[8]。Barker R L等人[9]研究發(fā)現(xiàn):在熱流密度為6.3 kW/m2的熱暴露條件下,織物系統(tǒng)的熱防護性能隨著含水量的增加先下降后上升,含水量為織物質(zhì)量的15%時,熱防護性能最差。

針對消防服織物系統(tǒng)的多層構(gòu)成特征,研究進一步細分各功能層中水分的具體影響。He J Z等人[10]針對外層織物進行了相關(guān)研究,試驗表明:在15.4 kW/m2輻射熱暴露水平下,相比0%、30%、100%的含水率水平,含水率為60%時其熱防護性能最佳。Zhang H等人[11]針對隔熱層進行相關(guān)試驗,結(jié)果表明:在熱暴露階段,隔熱層中含水率起到消極作用,而在綜合考慮蓄熱釋放時,則呈現(xiàn)相反的規(guī)律。

防水透汽層作為消防服織物系統(tǒng)中特殊功能層,與水分相關(guān)的研究主要集中于其透濕能力與熱防護能力之間的關(guān)系,研究結(jié)論并不統(tǒng)一。Barker R L等人[12]認為防水層透濕性對熱防護性能影響較小;另有研究發(fā)現(xiàn)隨著透濕性增加防護性能先增加后降低。可見,防水層對水汽的透過能力對熱傳遞的作用機制復(fù)雜。

1.2 模擬動態(tài)出汗

采用預(yù)加濕方式研究熱濕耦合作用,由于忽視了汗液在皮膚表面聚集以及從皮膚表面向織物的傳遞過程,使得研究結(jié)論產(chǎn)生一定偏差[13,14]。并且,預(yù)加濕方法中僅包含單一的織物干燥過程,未考慮人體動態(tài)出汗時對織物的持續(xù)潤濕能力。

1.3 衣下空間含濕量

衣下空間的相對濕度升高對織物系統(tǒng)整體的熱防護性起到積極影響[15]。面料含水時,最優(yōu)空氣層厚度遠大于干態(tài)面料(水平方向6.4 mm,垂直方向6 mm)。這也證明了衣下空間含有水分時其傳熱機制會發(fā)生較大的變化。

2 數(shù)值模擬在復(fù)現(xiàn)火場極端環(huán)境下的應(yīng)用

物理試驗和數(shù)值模擬是目前評價和優(yōu)化熱防護服裝或織物性能的重要手段。通過數(shù)值模擬可實現(xiàn)火場環(huán)境和傳熱過程的再現(xiàn),但模擬物理試驗尚不能真實反映復(fù)雜的火場環(huán)境[16],其主要目的是明確消防服熱防護性能測試過程中的傳熱傳質(zhì)機理,從科學(xué)的角度分析造成人體皮膚燒傷的關(guān)鍵因素[17],CFD(computational fluid dynamics計算流體力學(xué))模型作為重要的模擬方式,其建立的關(guān)鍵問題包括幾何模型的建立、網(wǎng)格的劃分、控制方程的建立、初始和邊界條件的確定,以及求解方法的確定。

田苗等人[18]在基于裸體假人燃燒試驗中,建立裸體假人CFD模型,通過試驗驗證模型的有效性獲得模擬火場環(huán)境參數(shù),并用于消防服模型的建立。朱方龍等人[19]依據(jù)純火焰對流作用下的消防服傳熱機理,建立了服裝直接接觸火焰下的“火焰-服裝-皮膚”系統(tǒng)傳熱模式,分析了服裝接觸火焰一側(cè)的傳熱邊界條件,對系統(tǒng)模擬進行了數(shù)值模擬計算的驗證。結(jié)果表明,模型預(yù)測值能較好地模擬實際消防服織物的熱防護性能值。但目前對消防服用阻燃多層織物熱濕耦合作用機制理論與CFD結(jié)合模擬火場極端環(huán)境的相關(guān)研究鮮有涉及。

3 結(jié)語

利用數(shù)值模擬技術(shù)對消防服用多層阻燃織物在火場極端環(huán)境下熱濕耦合過程的理論進行驗證包括:首先,利用熱濕耦合作用機制理論推導(dǎo)熱濕傳遞相互作用的關(guān)系式,通過模擬軟件驗證理論推導(dǎo);其次,確定火場模型及計算參數(shù),利用數(shù)模環(huán)境進行熱防護及舒適性能試驗并與相關(guān)物理試驗進行結(jié)果比對;最終,驗證所建立火場極端環(huán)境模型的可靠性。有助于提高消防服質(zhì)量檢測的全面性及準(zhǔn)確性,為阻燃面料的開發(fā)提供更為可靠的依據(jù),最終保證消防員作業(yè)時著裝安全,減少作戰(zhàn)時的傷亡。