非稳态自然对流换热系数计算方法及其在防护服隔热预报中的运用

发布时间：2022-01-01 07:42

　　为得到相对精确的热防护服非稳态隔热性能预测数值,基于传热系统的非稳态传热模型,在防护服材料外表面分别为恒温边界条件和Howard模型对流边界条件下,利用有限差分法分别计算了2种边界条件下模拟皮肤处温度的时程曲线,所得结果均与实验测量值差别较大。在细致分析传热过程的基础上,综合运用傅里叶定律、牛顿冷却定律、以及Howard模型对流边界条件,在线化假设下提出了一种自然对流换热系数计算方法,代入非稳态模型后利用有限差分法进行了求解,随着时间步长的加密,计算结果迅速向实验测量值收敛,当时间步长为0.001 s时,计算结果与测量结果误差小于0.1℃。 

【文章来源】：纺织学报. 2020,41(01)北大核心EICSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

传热系统组成

利用上述方法对图1所示传热系统进行分析,服装内表面发射率εin取0.8,模拟皮肤发射率εs取0.97,服装外表面发射率εout取0.1,λ5/δ5=5.433 W/(m·K),标准大气压下空气的物理属性由美国国家标准局气体热性能表No. 564根据空气温度插值确定。 图2示出防护服外表面在不同边界条件和不同时间步长下模拟皮肤外侧温度的计算结果。虚线是防护服外表为恒温75 ℃时的情况,计算结果均高于实验值[13],趋于稳态时最大差值为3.92 ℃,但趋于稳态的时间与实验值吻合较好,该边界条件高估了防护服外表面的热传递,总体上与实验结果偏差较大;点划线是防护服外表面自然对流系数按Howard模型计算时的结果,计算结果均低于实验值,非稳态阶段最大差值为6.6 ℃,趋于稳态时温度值与实验结果吻合较好,但在时间上有较大的滞后,该边界条件低估了防护服外表面的热传递,总体上与实验结果偏差更大,尽管如此,利用该边界条件计算稳态温度情况时却可以获得令人满意的结果;实线是上述2种情况计算结果的加权平均,经该方式处理后的数据在一定程度上得到了改善,但与实验结果仍有不小的差距,尤其是在稳态阶段。从上述分析可以看出,防护服外表面的传热边界条件对计算结果有着非常重要的影响,是影响防护服隔热性能模拟精度的关键因素,从对2种典型边界条件的计算可以看出,模拟结果与实验结果差别较大,虽在一定程度上反映出了温度随时间的变化情况,但仍然不够理想。

图3示出时间步长为0.001 s时计算结果相对实验测量结果的误差。可以看出,随着时间步长的加密(空间步长相应加密)计算结果迅速收敛,当时间步长为0.001 s时,计算结果与实验结果高度一致,从图3可以看出整体误差小于0.1 ℃,计算结果令人满意。即便是时间步长为0.1 s的情况,其计算结果也优于图2中利用Howard模型所得的结果。图4示出时间步长为0.001 s时热流密度随时间的变化。

【参考文献】：
期刊论文
[1]非稳态条件下织物热传递模拟分析[J]. 陈扬,杨允出,刘莹.  毛纺科技. 2018(08)
[2]应用三层热防护服热传递改进模型的皮肤烧伤度预测[J]. 卢琳珍,徐定华,徐映红.  纺织学报. 2018(01)
[3]数值模拟在热防护服装性能测评中的应用[J]. 田苗,李俊.  纺织学报. 2015(01)
[4]衣下空气层厚度对着装人体热传递的影响[J]. 张昭华,王云仪,李俊.  纺织学报. 2010(12)



本文编号：3561923