多層熱防護服的溫度分布與最優厚度研究

張品戈 于泳博 蘭天然

摘? 要：研究高溫環境下專用服裝材料對于相關產品的研發具有重要意義?；诖?，該文對多層熱防護服的溫度分布與最優厚度進行了研究。主要根據服裝織物層—空氣層—皮膚系統內的熱力學規律，建立一維熱傳導考察溫度分布，并進一步根據模型求得特定情況的最優厚度，從而得到了在第II層的最佳厚度為11.5mm，第IV層厚度為5.3mm時可以在使隔熱服最輕薄的情況下滿足設計要求，可以作為實際問題參考。

關鍵詞：熱防護服? 溫度分布? 最優厚度? 遺傳算法

中圖分類號：TB35 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）06（a）-0067-02

在高溫環境下工作時，人們需要穿著專用服裝以避免灼傷[1]。熱防護服是對在高溫或超高溫條件下工作的人員進行安全保護，從而避免熱源對人體造成傷害的各種保護性服裝，具有阻燃性、拒液性、燃燒時無熔滴產生、遇熱時能夠保持服裝的完整性和穿著舒適性等特性[2]。熱防護服可以用于石油、化工、冶金、造船、消防、國防以及有明火、散發火花、熔融金屬和有易燃物質的場所，所以，研究高溫環境下專用服裝材料對于相關產品的研發具有重要意義[3]。

1? 溫度分布

通過觀察數據，發現在1645s之后直至結束，溫度均穩定在48.08℃。同時我們利用Excel繪制了散點圖（見圖1），觀察發現若用函數進行擬合很有可能為分段函數形式，且第一段類似于對數函數、三次函數或冪函數，第二段類似于常數函數。

該專用服裝包含3層，最內層與人體之間還存在一層空氣空隙?；诩僭O，我們認為熱沿垂直于皮膚方向傳遞，即最終的溫度分布是溫度僅對時間t、距離x的函數關系。

熱傳遞包含熱傳導、熱對流與熱輻射。熱傳導主要存在于固體傳熱中，熱對流存在于流體傳熱中，而熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象?？諝鈱觽鳠岱绞奖容^復雜，當空氣層厚度小于6.4mm時， 傳熱方式為傳導與輻射，反之空氣發生自然對流。材料第IV層即空氣層厚度為0.6～6.4mm，基于此，我們對空氣層建立微分方程，利用有限元法建立的材料—空氣層—皮膚系統的微分方程如下：

其中，顯熱容CA和熱傳導率k都與溫度T有關，此處引進顯熱容法來描述各層材料的比熱變化，顯熱容的計算公式為：

由（1）（2）可得如下方程：

將其視為一維無內熱源熱傳導方程。根據假設，在一維坐標x與時間t中，密度ρ傳導率k和比熱cρ都為定值，因此取熱擴散系數α：

由于眾多約束條件不易于求解，所以考慮在求解過程中對邊界條件進行改良。對求解過程進行簡化，將皮膚表層溫度代入作為右邊界條件。經過程序調試，發現模擬結果與實驗數據之間誤差縮小至0.1，驗證簡化模型成功。

我們利用Matlab進行編程求解，得到圖2溫度分布圖。

2? 遺傳算法

遺傳算法是模擬達爾文生物進化論的自然選擇和遺傳學機理的生物進化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進化過程搜索最優解的方法。

遺傳算法從一組隨機產生的初始解開始搜索過程。種群中的每個個體都是問題的一個解，稱為染色體。染色體是一串符號，比如一個二進制字符串。這些染色體在后續迭代的下一代染色體，稱為后代。后代是由前一代染色體通過交叉或者變異運算形成的。新一代形成中，根據適值的大小選擇部分后代，淘汰部分后代后，算法收斂與最好的染色體，它很可能就是最優解或次優解同。

在求解最優厚度問題上我們要考慮到以下幾方面。

（1）恒定熱導率下，材料越厚，熱阻越大。

（2）過厚的材料影響人們行動且耗費更多的原料費。

為了盡量輕便省料，并且滿足約束條件，我們設定最優厚度為材料厚度的最小值。在計算過程中，通過8次遺傳算法的迭代，我們可以得到一個最優厚度為9.2mm。

3? 結語

該部分研究在環境溫度為80℃時，確定II層和IV層的最優厚度，確保工作30min時， 假人皮膚外側溫度不超過47℃且超過44℃的時間不超過5min。我們仍然采用相同的方法，并且將未知變量改為兩個，同時改變約束條件，使其符合設計要求。增加限制條件：（1）時間為1800s;（2）第I層厚度為0.6mm，第III層厚度為3.6mm;（3）溫度為80℃。

將這些數據輸入進遺傳算法的Matlab程序中，我們通過多次試驗，去尋找最佳的優化結果，從而得到了在第II層的最佳厚度為11.5mm，第IV層厚度為5.3mm使可以在使隔熱服最輕薄的情況下滿足設計所需的條件。

參考文獻

[1] 盧琳珍，徐定華，徐映紅.應用三層熱防護服熱傳遞改進模型的皮膚燒傷度預測[J].紡織學報，2018（1）：25-28.

[2] 張文遠，朱家明，張云蔚.基于熱傳導機理的高溫作業專用服裝優化研究[J].遼寧工業大學學報：自然科學版，2019（2）：56-58.

[3] 羅鑫錦.利用MATLAB設計并預測高溫作業專業服裝的最優厚度[J].通信電源技術，2019（1）：78.