PDF《高温作业专用服装设计》

5 分钟的要求的 II 层和 IV 层的最优厚度.

二、问题分析 身穿高温作业专用服装、体内温度控制在 37? C 的假人放置在实验室的 75℃ 高温环境中进行试验,整个假人与服装的初始温度均为 37℃,随着高温环境通 过服装逐层向内部传导热量,假人的体表温度会逐渐上升.为了简化模型,假设 这个热传导的过程是一维的, 即热量沿着假人表面的法线方向由外向内直线传导. 该过程服从傅里叶定律(式(1) ) ,即单位时间内通过给定截面的热量,正比于 垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积. 1) 对该过程作定性分析,可以分为三个阶段:第一阶段,热传导的开始阶段, 即假人进入高温环境最初的一段时间内,由于专用服装的隔热作用(服装本身的 热容) ,单位时间内只有很少的热量传导到了假人皮肤,因此这段时间内假人皮 肤的温度上升是很缓慢的;

第二阶段,随着传导过程的逐渐进行,专用服装温度 逐渐升高,隔热作用减弱,因此假人皮肤温度的上升速率逐渐加快;

第三阶段, 由于假人体内温度是控制在 37℃的,那么就必然存在一个冷源(对应于人体在 高温环境中作出的呼吸、 出汗等生物调节过程) 来散失外界环境传导进来的热量, 假设单位皮肤面积上的散热速率与体表和体内(37℃)的温度差成正比,那么随 着假人皮肤温度的不断升高, 散热速率会逐渐增大,同时由于皮肤与环境温度的 温差减小,热传导的速率会逐渐减慢,最终二者达到一个平衡,此时假人的皮肤 温度将保持在一个恒定值. 因此若将皮肤温度对时间作图,得到的曲线斜率变化 规律将会是从零开始逐渐增大, 然后又逐渐减小直至零,通过对附件

2 中的实验 数据进行作图,结果与上述分析一致. 在附件

2 的实验数据中,假人皮肤的温度最终恒定在 48.08℃,据此可以求 算出假人散热速率与体表和体内(37℃)温度差的关系的比例系数. 要计算温度分布, 即温度随时间和空间的变化规律,需要先利用傅里叶定律 (1)和比热容公式 建立关于 的微分方程,然后对其求解.但是

3 在本问题中, 热量从环境传导到假人皮肤要经过四层不同物理性质的介质,对于 每一层介质就都要建立一个微分方程, 它们的边界条件就是在任意两种介质的界 面处温度是连续但不可导的. 此外,假人皮肤表面层的微分方程形式与其他的是 有很大不同的, 因为此处要考虑假人的散热, 而散热速率是与此处温度正相关的. 考虑到计算的复杂程度,求解 的解析解比较困难,我们最终决定采用隐式 差分法来求解该模型的数值解, 此方法按照一定的步长将时空划分为一个个的结 点, 通过将同时刻的一系列结点的方程联立成一组线性方程组来求算出该时刻每 个结点处的温度,然后将时间推移,对每个时刻的一系列结点进行求算,便可以 得到 在每个时空结点处的数值解,从而避免了对复杂微分方程组的求解.

三、模型假设 1. 环境温度保持 75℃恒定且均匀. 2. 服装同层的织物材料物理性质均匀, 在传热过程中织物材料没有发生热溶解. 3. 不考虑由于服装的厚度而引起的服装外表面的拉伸,即认为服装的内外表面 积相等. 4. 假设热量的传递只是沿着体表的法线方向直线传递,不会由于褶皱等产生向 其他方向的传导,即热量从服装的外表面到人体皮肤外表均匀传导. 基于假设