基于热传导方程的高温防护服优化模型

发布时间：2021-01-18 08:19

　　穿戴高温防护服是防止人在高温作业环境中被灼伤的重要手段。本文对高温防护服传热过程进行分析,在合理简化假设的基础上将此过程转化为一维热传导问题,建立基于一维热传导方程的高温防护服温度分布模型,并确定初始条件、边界条件及耦合条件。为避免求解复杂的偏微分方程,本文采用有限差分法对偏微分方程进行求解。考虑到防护服的实用性及经济性,本文对防护服的厚度进行单目标优化,并采用变步长搜索法对单目标优化模型进行求解。 

【文章来源】：科技创新导报. 2019,16(04)

【文章页数】：3 页

【部分图文】：

防护服-人示意图

偃颂迥冢?龀鋈缤?所示的示意图，其中第V层为虚拟的皮肤层。其中防护服各层材料参数如表1所示。本文将多层防护服等间隔划分77个点（此时d=6mm），对于等间隔的位置节点，将其分为内点，交界点，边界点三类。1.1热传导方程对于内点，其满足一维热传导方程为[2]：(1)对于(n,i)点，其热传导方程对应的差分方程为：(2)其中，为(n,i)所在层的材料参数，表示在x处t时刻的温度值。1.2耦合条件本文引入第i层介质的热通量(3)对于各层之间的交界点，其满足热通量相等和温度相等即（4）式。(4)图1防护服-人示意图图2隐格式网格划分示意图

导际?科技创新导报ScienceandTechnologyInnovationHerald1271.3初边值条件由于假人在穿上防护服足够长的时间后进入高温环境，所以初始时衣服温度均为37℃,对于位于衣服最外层的边界点，其温度恒为75℃,不随时间变化，对于位于衣服表皮的点，本文测得了其在9min内每秒的瞬时温度值。将关于各点的差分方程联立，得到式(5)线性方程组。(5)(6)其中，(7)本文利用MATLAB对该非稳态模型进行求解[3]，得出“防热服-假人”系统中温度随时间和位置的分布情况，作出系统温度随时间(s)以及位置(mm)的分布图如图3所示：为了便于观察规律，本文选取各交界面处的点，作出其温度随时间变化的曲线，如图4所示。由图4可以得出，3个点的温度随时间的变化先快速增加而后趋于稳定值。但是各点最先趋于定值的时间不同。2基于热传导方程的防护服优化模型2.1目标函数的确定在选择防护服时要求当环境温度为65℃、IV层的厚度为5.5mm时，确保工作60min时，假人皮肤外侧温度不超过47℃，且超过44℃的时间不超过5min。由于第II层厚度为一个区间范围，由图3大致得出II层厚度越大，越能满足设计要求。(1)从经济角度考虑:专用服装的制作成本与其织物材料的厚度成正比，因而在满足设计要求的条件下，第II层厚度越小，服装的成本越低。(2)从舒适性的角度考虑：在其他三层介质厚度确定的条件下，II层厚度越小，总体厚度越小，防护服的质量越小，穿着越舒适。从制作成本和舒适度方面综合考虑，本文建立以II层厚度最小为目标函数的优化模型。2.2约束条件的确定(1)确定保证工作60min时，假人皮肤外侧温度不超过47℃的约束条件外界温度始终大于皮肤层温度，在这个热传导过程中，皮肤层温度随时间升高，因此只要保证最大工作时间t=3600s时，

【参考文献】：
期刊论文
[1]热传导方程有限差分法的MATLAB实现[J]. 史策.  咸阳师范学院学报. 2009(04)

硕士论文
[1]多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定[D]. 卢琳珍.浙江理工大学 2018



本文编号：2984609