高温作业专用服装设计的热传导模型及参数最优决定 发表时间：2019-06-10T16:00:03.313Z 来源：《知识-力量》2019年8月29期作者：潘璐璐汪锦馨彭雪（通讯作者） [导读] 高温作业专用服装是目前应用最广泛的特种防护服装［1］，其隔热和传湿性能与普通的服装有很大的不同［2］，可避免人们在高温情况下被灼伤。本文选取时间、热传导率为影响因素，建立数学模型来分析高温作业专用服装的热传导情况，并以此计算温度分布、确定织物材料的最优厚度，降低其研发成本。 （西北政法大学） 摘要：高温作业专用服装是目前应用最广泛的特种防护服装［1］，其隔热和传湿性能与普通的服装有很大的不同［2］，可避免人们在高温情况下被灼伤。本文选取时间、热传导率为影响因素，建立数学模型来分析高温作业专用服装的热传导情况，并以此计算温度分布、确定织物材料的最优厚度，降低其研发成本。 关键词：牛顿冷却定律；热辐射；热传导；傅立叶定律；遗传算法 1.问题重述 1.1背景知识 随着科技的不断发展，人类的生产工作环境也变得日益复杂多样。由于职业的特殊性，对于在特殊环境下从事高危职业的从业者来说，服装往往具备着更为重要的作用。高温作业专用服装因其能够隔绝热量的特点，在起到普通防护服作用的同时，能更好的为高温作业人员预防中暑、烧伤和灼伤等危害，保障工作人员的生命安全。目前，高温作业专用服装的研发依靠于大量的热防护性试验，因此为压缩研发成本，缩短研发周期通过建立数学模型来帮助研发高温作业专用服装显得十分必要。 1.2需要解决的问题 高温工作专用服装一般由三层织物材料构成，从外到内别记作I、II、III层，最里层与皮肤有空隙，记作IV层。为拟合实际情况完成高温作业专用服装设计，需通过建立数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况，并解决以下问题： （1）已知该服装内织物材料的某些参数值（见题目附件1），设定实验条件为：环境温度为75℃、II层厚度为6 mm、IV层厚度为5 mm、工作时间为90分钟，实验得出假人皮肤外侧温度数据（见题目附件2）。构造数学模型，求出温度分布，并得出温度分布的Excel文件（文件名为problem1.xlsx）。 （2）设定实验条件为环境温度为65℃、IV层的厚度为5.5 mm时，工作60分钟时，为达到假人皮肤外侧温度不超过47℃，且超过44℃的时间不超过5分钟的目的，求解II层最优厚度。 （3）设定实验条件为环境温度为80℃，工作30分钟时，若还要达到假人皮肤外侧温度不超过47℃，且超过44℃的时间不超过5分钟的目的，求出II层和IV层厚度的最佳组合。 2.问题分析 2.1问题一的分析 题目要求建立模型求温度分布，即假人皮肤外侧温度变化与时间的关系。可通过牛顿冷却定律以及建立热传导模型进行数值计算分别计算出各层织物材料内外层的温度变化，最后计算出专用服装整体的隔热效果，并使模型中构造的假人皮肤外侧温度变化能够与实验数据（即题目附表2）趋于一致。其中，该服装各层材料的比热容、厚度等数据均作为参数对温度分布产生影响。最后用图表模型方式及Excel 展示出温度分布。 2.2问题二的分析 由第一问得出的温度分布公式同理可以推算出在第二问条件下，假人皮肤外侧温度与II层厚度的关系，具体来说为II层隔热效果与II层厚度的关系函数。从便捷灵活性和经济效益角度考虑，该服装应尽量轻便。因此把服装重量（厚度）作为目标函数求最小值，把题目所给的隔热效果要求作为约束条件，从而求得II层最优厚度。 2.3问题三的分析 根据第一问建立的数学模型的原理，以第三问的题目条件再次建立新模型。这次以假人皮肤外侧温度为因变量、II层和IV层的厚度为自变量构建函数，进行最优化求解。可仍以重量作为II层和IV层的厚度的内在联系函数，以题目要求隔热效果为约束条件，计算II层和IV层的最佳厚度组合。 3.模型假设 针对“高温作业专用服装-空气-假人皮肤”系统，给出织物在高温下热传递数学模型的假设： （1）系统热传递仅考虑热传导的传热、热辐射以及空气对流，忽略水汽、汗液的影响，即不考虑湿传递。 （2）热传导过程中，忽略热胀冷缩现象，织物不发生熔融或分解，即织物性质保持题目附表1给定数据不变[3]。 （3）热传导和辐射热通量传递到织物的过程中，各层织物平面吸收的热量是相同的。 （4）热传导沿垂直于皮肤方向进行，即视为一维的。 表1 符号说明
基于comsol三维物理模型的高温作业专业服装设计 本文针对高温作业时，需穿着专业服装以免灼伤的实际问题进行分析，画出假人皮肤外侧分布图像，建立相关的模型，并利用comsol软件进行物理学三维仿真模拟。得出各层防热材料的温度分布以及防热服饰防热性能与各层材料特性之间的关系。通过建立微分方程模型，最优化模型，使用遗传算法、粒子群算法等方法，逐步得到防热服饰各层材料的温度分布，实现对于材料特性对于防热性能影响的深入研究。 标签：comsol三维物理模型;连续性问题;微分方程模型;图像拟合;最优化问题;遗传算法;粒子群算法 一、问题重述 在高温环境下工作时，人们需要穿着专用服装以避免灼伤。专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III，IV层，其中I层与外界环境接触，IV层与皮肤接触。 为设计专用服装，将体内温度控制在37?C的假人放置在实验室的高温环境中，测量假人皮肤外侧的温度。为了降低研发成本、缩短研发周期，通过建立数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况。 二、模型假设 1.假人在一定范围内可以维持体内恒定 2.不及热传递中的热量损失 3.I、II、III之间不存在空气，密闭接触 4.温度变化过程中密度，比热容，热传导率，厚度保持不变 5.II、IV两种材料的价格相同 6.热传递沿垂直于皮肤方向进行，故可视为一维的 7.能量从火焰到外壳时，包含热对流和热辐射。由于外壳阻挡了大部分的辐射，因此，在织物层和人体皮肤传递过程中，可以忽略辐射 8.空气层的厚度值不超过6.4 mm，热对流影响小，因而不考虑热对流 9.材料层之间、织防热材料与空气层之间、空气层与皮肤之间的温度分布都是连续变化的，但温度梯度是跳跃的