一种功能性防火服及其热传导模型建立方法与流程

1.本发明涉及一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，属于消防技术领域。


背景技术：

2.消防服是消防员救火重要的防护装备，通过穿着消防服可以避免火焰、有毒气体、高温等对消防员的伤害因此对消防服的功能性质设计与研究是重中之重的。目前，消防避火服由多层不同的纺织物组成，由于内织物材料密度、比热、传导系数、厚度不同，消防避火服的性能也存在一定差异。因此需要运用计算机模拟仿真的方法研究消防避火服中热传递规律，找出决定热传导能力的变量，对服装内部热传递进行仿真模拟，形成时空热传导状态模型，为确定防护服内各层织物的厚度提供理论支撑，为设计消防避火服提供科学参考。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，从而解决上述技术问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，防火服包括四层纺织面料，分别为由外到内设置的阻燃层、防水透气层、隔热层以及舒适层；
5.所述阻燃层用于阻燃，防止物理伤害性，耐熔，耐碱性和保护性；所述防水透气层用于透气、防水，耐火，散热；所述隔热层用于防止烫伤、灼伤和阻隔外界热量，防止环境高温，体内高温影响消防作业；所述舒适层用于提供舒适、透湿、透气以及高弹性；
6.进一步的，所述阻燃层为间位芳纶、涤纶或者维伦以及三者的组合混纺。
7.进一步的，所述阻燃层中还含有棉纤维与锦纶纤维的混纺。
8.进一步的，所述防水透气层为棉纤维、麻纤维、维伦的一种或者三者的组合混纺；防水透气层的表面设置有防水剂。
9.进一步的，所述隔热层为隔热防腐面料，其具体为铝箔布；铝箔布由铝箔导电布及热溶胶构成，选用硅酸盐阻燃型粘合剂复合后形成的薄膜。
10.一种根据权利要求1所述的功能性防火服的热传导模型建立方法，专用热防护服通常由三层纺织材料构成，记为i层，ⅱ层以及ⅲ层，ⅲ层与皮肤之间还存在空袭，将此空隙记为ⅳ层；包括以下步骤：
11.步骤一：对于防护服织物的热传导，我们考虑在防护服上取面积为ds的微元，利用微积分的思想，建立热传导方程；
12.步骤二：给定ii层厚度为6mm、iv层厚度为5mm的纺织品，物体在热传导过程中具有一定的连续性和稳定性；此时，将热源—i、ii、iii层纺织物—iv层空气—假人皮肤表层—皮肤下层看成一个整体均匀系统，设定初始值(包括时间和位置的步长)，利用有限差分法对热传导方程进行求解；利用matlab对有限差分法进行模拟；
13.步骤三：考虑两种热传递形式，分析在高温条件下热辐射和热传导对热传递过程
的作用，结合热传学相关规律，建立数学模型。
14.进一步的，i层t时刻内的热量为q，位置从x＝a到x＝b的间隔段，其横截面积记为s，得到t时刻区域的热量：
[0015][0016]
因此，得到热量关于时间的变化方程为：
[0017][0018]
通过区域u的热流速度和u的长度成反比，因为圆柱形态体越长，热量通过它所花的时间也就越长；通过区域u的热流速度和它的横截面积成正比，因为通过横截面积大的圆柱形态体，同样的时间涌入的热量自然比横截面积小的要多，热流速度也就快的多。同时当两个不同温度的物体放在一起，温度高的物体自然会将热量流向温度低的物体，根据这一性质，如果x＝b处的温度大于x＝a的温度，热量就会从b到a；
[0019]
t时刻区域u的热量为：
[0020][0021]
由于i层是同一纺织物质组成，通过微分基本定理，得：
[0022][0023][0024][0025]
等式通过描述了t时刻圆柱形态体各个位置的温度，进一步展示了热量通过i层的全过程；由于热量传递的方向总是垂直于服装表面，同时也垂直等温层，可以写为：
[0026][0027]
利用有限差分法对此公式进行求解，通过使用向前差分格式，引用热扩散率a，定义；
[0028]
[0029][0030]
根据实际情况，我们将两侧温差38℃做为左侧边界值，以0℃为右侧边界值，建立直角坐标系，利用有限差分法原理，在实验中发现，在距热源距离这一变化量的确定很关键，过大或过小，造成图像的不精确，当取150时比较合理；此时稳定系数s取一般值为0.2，我们发现在x＝50处，温度关于时间的函数与假人表层温度函数较吻合，由此确定1-50范围内是织物外层到假人皮肤外侧对应的区间；用整体有限差分法的概念分别考虑i、ii、iii、iv层，将得到的每一层的末端温度值作为下一层的起始温度值，依次绘出每层纺织物材料的温度变化图像；
[0031]
利用优化的有限差分法模拟了整体热传导温度分布图；
[0032]
根据上述建立的计算机仿真模型得知，影响假人皮肤外侧温度的因素为环境温度、纺织物厚度以及工作时限，可利用控制变量法，设ii层的厚度为v，分析此时各层的比例，确定各层的厚度，为带入热传导数学模型提供基本依据；由于ii层的厚度本身有一个范围，从而可以通过matlab遍历所有的ii层厚度，找出符合条件的ii层的厚度。
[0033]
本发明的有益效果是：本文为了研究热防护服隔热性能，通过选取适当隔热服的数据测量得到假人皮肤外侧的温度变化走势为依据，建立计算机仿真模型。同时，针对另外两种常见情况，通过计算机仿真，为热防护服装的设计提供理论依据。
附图说明
[0034]
图1为本发明的系统温度分布示意图；
[0035]
图2为本发明的ⅱ层取最有厚度时热传导图像示意图；
[0036]
图3为本发明的思路流程示意图。
具体实施方式
[0037]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
[0038]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
[0039]
如图1、图2和图3所示，一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，其特征在于，防火服包括四层纺织面料，分别为由外到内设置的阻燃层、防水透气层、隔热层以及舒适层；
[0040]
所述阻燃层用于阻燃，防止物理伤害性，耐熔，耐碱性和保护性；所述防水透气层用于透气、防水，耐火，散热；所述隔热层用于防止烫伤、灼伤和阻隔外界热量，防止环境高温，体内高温影响消防作业；所述舒适层用于提供舒适、透湿、透气以及高弹性；
[0041]
本实施例优选的，阻燃层为间位芳纶、涤纶或者维伦以及三者的组合混纺。
[0042]
本实施例优选的，阻燃层中还含有棉纤维与锦纶纤维的混纺。
[0043]
本实施例优选的，防水透气层为棉纤维、麻纤维、维伦的一种或者三者的组合混纺；防水透气层的表面设置有防水剂。
[0044]
本实施例优选的，隔热层为隔热防腐面料，其具体为铝箔布；铝箔布由铝箔导电布及热溶胶构成，选用硅酸盐阻燃型粘合剂复合后形成的薄膜。
[0045]
专用热防护服通常由三层纺织材料构成，记为i层，ⅱ层以及ⅲ层，ⅲ层与皮肤之间还存在空袭，将此空隙记为ⅳ层；包括以下步骤：
[0046]
步骤一：对于防护服织物的热传导，我们考虑在防护服上取面积为ds的微元，利用微积分的思想，建立热传导方程；
[0047]
步骤二：给定ii层厚度为6mm、iv层厚度为5mm的纺织品，物体在热传导过程中具有一定的连续性和稳定性；此时，将热源—i、ii、iii层纺织物—iv层空气—假人皮肤表层—皮肤下层看成一个整体均匀系统，设定初始值(包括时间和位置的步长)，利用有限差分法对热传导方程进行求解；利用matlab对有限差分法进行模拟；
[0048]
步骤三：考虑两种热传递形式，分析在高温条件下热辐射和热传导对热传递过程的作用，结合热传学相关规律，建立数学模型。
[0049]
i层t时刻内的热量为q，位置从x＝a到x＝b的间隔段，其横截面积记为s，得到t时刻区域的热量：
[0050][0051]
因此，得到热量关于时间的变化方程为：
[0052][0053]
通过区域u的热流速度和u的长度成反比，因为圆柱形态体越长，热量通过它所花的时间也就越长；通过区域u的热流速度和它的横截面积成正比，因为通过横截面积大的圆柱形态体，同样的时间涌入的热量自然比横截面积小的要多，热流速度也就快的多。同时当两个不同温度的物体放在一起，温度高的物体自然会将热量流向温度低的物体，根据这一性质，如果x＝b处的温度大于x＝a的温度，热量就会从b到a；
[0054]
t时刻区域u的热量为：
[0055][0056]
由于i层是同一纺织物质组成，通过微分基本定理，得：
[0057][0058][0059][0060]
等式通过描述了t时刻圆柱形态体各个位置的温度，进一步展示了热量通过i层的
全过程；由于热量传递的方向总是垂直于服装表面，同时也垂直等温层，可以写为：
[0061][0062]
利用有限差分法对此公式进行求解，通过使用向前差分格式，引用热扩散率a，定义；
[0063][0064][0065]
表1 a2与s的值
[0066][0067]
根据实际情况，我们将两侧温差38℃做为左侧边界值，以0℃为右侧边界值，建立直角坐标系，利用有限差分法原理，在实验中发现，在距热源距离这一变化量的确定很关键，过大或过小，造成图像的不精确，当取150时比较合理；此时稳定系数s取一般值为0.2，我们发现在x＝50处，温度关于时间的函数与假人表层温度函数较吻合，由此确定1-50范围内是织物外层到假人皮肤外侧对应的区间；用整体有限差分法的概念分别考虑i、ii、iii、iv层，将得到的每一层的末端温度值作为下一层的起始温度值，依次绘出每层纺织物材料的温度变化图像；
[0068]
利用优化的有限差分法模拟了整体热传导温度分布图；，如图1，在x＝50处截取，得到整个系统温度分布情况。
[0069]
根据上述建立的计算机仿真模型得知，影响假人皮肤外侧温度的因素为环境温度、纺织物厚度以及工作时限，出环境温度65℃、iv层厚度5.5mm以及工作时限60分钟等条件，作为2.1建立的热传导模型的参数，为确保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，可利用控制变量法，设ii层的厚度为v，分析此时各层的比例，确定各层的厚度，为带入热传导数学模型提供基本依据；由于ii层的厚度本身有一个范围，从而可以通过matlab遍历所有的ii层厚度，找出符合条件的ii层的厚度。
[0070]
已知服装纺织物ⅲ层厚度为0.5mm，ii层的厚度未知，我们将其设为v，以此建立模型如下，各层所占的比例依次为：
[0071]
a＝0.6/(9.7+v)
×
50，b＝v/9.7+v)
×
50
[0072]
c＝3.6/(9.7+v)
×
50，d＝5.5/(9.7+v)
×
50
[0073]
其中，v的取值范围为0.6-25mm，通过遍历v可能的取值，找出ii层纺织物临界点厚度。
[0074]
由模型所设置的条件，我们知道，x＝50处为皮肤表层温度随时间变化的函数。将t＝3600s，，且的时间不超过5min视为的临界值。遍历，可以求得临界值v＝19.3mm，此临界值即为最优厚度，在此临界值条件下，f(3600)＝44.5546，f(3313)＝44，即超过44℃的时间为：3600s-3313s＝287s。由于287s为4分钟37秒，小于5分钟，符合题目条件，故19.3mm为所给条件下ii层最优厚度。
[0075]
一般情况下，我们分为三个方面考虑此问题。一是考虑服装舒适度，我们考虑空气层厚度最大，以此保证服装质量较小，从而提高舒适度，达到优的条件。第二考虑服装整体的重量，考虑将ii层设为最大值。三是完全视为多目标优化问题，从而求得最优解。最后，综合以上三个方面，得出ii层和iv层的最优厚度。
[0076]
具体求解思路流程图见图3：
[0077]
第一种情况：
[0078]
我们首先考虑第iv层的热防护效果达到最佳，即第iv层厚度为最大值6.4mm，此时再去考虑求解ii层的厚度，此时问题变成了与问题2.2相类似的问题，建立计算机模型同问题2.2解法，利用matlab程序求解，建立在80℃条件下，防护服整个系统的热传导状态，即温度关于时间和位置的二元函数。通过计算机模拟，遍历ii层可能的厚度，使得其达到满足条件的临界值。依据已知条件，假设此时ii层厚度为v，各层的空间厚度分布可表示为：
[0079]
a＝0.6/(10.6+v)
×
50，b＝v/(10.6+v)
×
50
[0080]
c＝3.6/(10.6+v)
×
50，d＝6.4/(10.6+v)
×
50
[0081]
经过计算机模拟和对可能数值的遍历，当ii层织物的厚度为2.5mm时，是这个满足条件的临界点，此时温度45.5483℃，43.8465℃，44℃，满足工作条件，并且超过44℃的时间为275s，为4分35秒。此时，iv层取6.4mm。
[0082]
第二种情况：
[0083]
考虑第ii层和iv层材料厚度同时变化，分别取ii层的最大值与最小值以及iv层的最小值，以它们控制变量，利用matlab进行仿真模拟，得到对应的三组数据。如下：
[0084]
第一组：ii层厚度0.6(范围最小值)，iv层厚度3.9，
[0085]
见表2；
[0086]
表2服装各层纺织物重量(第一组)
[0087][0088]
第二组：ii层厚度25(范围最大值)，iv层厚度0.6，
[0089]
见表3；
[0090]
表3服装各层纺织物重重(第二组)
[0091][0092]
第三组：ii层厚度2.5，iv层厚度6.4(范围最大值)，
[0093]
见表4；
[0094]
表4服装各层纺织物重量(第三组)(情况一)
[0095][0096]
综合厚度、重量等条件分析得知，我们取ii层厚度0.6mm，iv层厚度3.9mm为满足条件的最优解。
[0097]
结果分析
[0098]
本文采用热传导数学模型对问题进行求解，利用了热传导的稳定性和一致性，在建立热传导系统时，考虑将皮肤里层也纳入热传递范围，使得热传递模型更加符合实际，对于温度后期一直保持恒定给出了合理的解释。
[0099]
本文创造性地采用整体求解—分段截取的方法，即各层按所占比例划分，分别用有限差分法求出整体连续的值，再将第i层位于其右边界的值作为第ii层左边界的值，以此类推，得到了连续稳定的分层次热传导模型，提高了模型的精确性。
[0100]
当然，本文所建立的热传递计算机仿真模型，在很多环节上都还有许多需要完善的地方。在高温作业下的多层服装中，每层纺织物材料之间必然还存在一定缝隙，缝隙的存在对热传递具有重要影响，这点我们并未具体考虑，而是为了简化模型忽略不计。同时，在高温作业专用服装的使用过程中，必然会有水汽产生，包括汗液和环境中的水汽，本文没有考虑湿传递。对于第iv层空气层，性质比较特殊，如果按照一般思路带入有限差分法解题，会出现稳定系数s远大于0.5的情况，对于这种情况我们只是假定了一个s值，代替空气中热传递系数，真实环境中还存在热辐射、空气对流等现象，造成了模型在第ⅳ层出现精确度不高的现象，还应当结合空气中热传导规律，进一步完善模型。
[0101]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，其特征在于，防火服包括四层纺织面料，分别为由外到内设置的阻燃层、防水透气层、隔热层以及舒适层；所述阻燃层用于阻燃，防止物理伤害性，耐熔，耐碱性和保护性；所述防水透气层用于透气、防水，耐火，散热；所述隔热层用于防止烫伤、灼伤和阻隔外界热量，防止环境高温，体内高温影响消防作业；所述舒适层用于提供舒适、透湿、透气以及高弹性。2.根据权利要求1所述的一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，其特征在于，所述阻燃层为间位芳纶、涤纶或者维伦以及三者的组合混纺。3.根据权利要求1所述的一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，其特征在于，所述阻燃层中还含有棉纤维与锦纶纤维的混纺。4.根据权利要求1所述的一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，其特征在于，所述防水透气层为棉纤维、麻纤维、维伦的一种或者三者的组合混纺；防水透气层的表面设置有防水剂。5.根据权利要求1所述的一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，其特征在于，所述隔热层为隔热防腐面料，其具体为铝箔布；铝箔布由铝箔导电布及热溶胶构成，选用硅酸盐阻燃型粘合剂复合后形成的薄膜。6.一种根据权利要求1所述的功能性防火服的热传导模型建立方法，其特征在于，专用热防护服通常由三层纺织材料构成，记为i层，ⅱ层以及ⅲ层，ⅲ层与皮肤之间还存在空袭，将此空隙记为ⅳ层；包括以下步骤：步骤一：对于防护服织物的热传导，我们考虑在防护服上取面积为ds的微元，利用微积分的思想，建立热传导方程；步骤二：给定ii层厚度为6mm、iv层厚度为5mm的纺织品，物体在热传导过程中具有一定的连续性和稳定性；此时，将热源—i、ii、iii层纺织物—iv层空气—假人皮肤表层—皮肤下层看成一个整体均匀系统，设定初始值(包括时间和位置的步长)，利用有限差分法对热传导方程进行求解；利用matlab对有限差分法进行模拟；步骤三：考虑两种热传递形式，分析在高温条件下热辐射和热传导对热传递过程的作用，结合热传学相关规律，建立数学模型。7.根据权利要求6所述的一种功能性防火服的热传导模型建立方法，其特征在于，i层t时刻内的热量为q，位置从x＝a到x＝b的间隔段，其横截面积记为s，得到t时刻区域的热量：因此，得到热量关于时间的变化方程为：通过区域u的热流速度和u的长度成反比，因为圆柱形态体越长，热量通过它所花的时间也就越长；通过区域u的热流速度和它的横截面积成正比，因为通过横截面积大的圆柱形态体，同样的时间涌入的热量自然比横截面积小的要多，热流速度也就快的多。同时当两个不同温度的物体放在一起，温度高的物体自然会将热量流向温度低的物体，根据这一性质，如果x＝b处的温度大于x＝a的温度，热量就会从b到a；
t时刻区域u的热量为：由于i层是同一纺织物质组成，通过微分基本定理，得：由于i层是同一纺织物质组成，通过微分基本定理，得：由于i层是同一纺织物质组成，通过微分基本定理，得：等式通过描述了t时刻圆柱形态体各个位置的温度，进一步展示了热量通过i层的全过程；由于热量传递的方向总是垂直于服装表面，同时也垂直等温层，可以写为：利用有限差分法对此公式进行求解，通过使用向前差分格式，引用热扩散率a，定义；利用有限差分法对此公式进行求解，通过使用向前差分格式，引用热扩散率a，定义；根据实际情况，我们将两侧温差38℃做为左侧边界值，以0℃为右侧边界值，建立直角坐标系，利用有限差分法原理，在实验中发现，在距热源距离这一变化量的确定很关键，过大或过小，造成图像的不精确，当取150时比较合理；此时稳定系数s取一般值为0.2，我们发现在x＝50处，温度关于时间的函数与假人表层温度函数较吻合，由此确定1-50范围内是织物外层到假人皮肤外侧对应的区间；用整体有限差分法的概念分别考虑i、ii、iii、iv层，将得到的每一层的末端温度值作为下一层的起始温度值，依次绘出每层纺织物材料的温度变化图像；利用优化的有限差分法模拟了整体热传导温度分布图；根据上述建立的计算机仿真模型得知，影响假人皮肤外侧温度的因素为环境温度、纺织物厚度以及工作时限，可利用控制变量法，设ii层的厚度为v，分析此时各层的比例，确定各层的厚度，为带入热传导数学模型提供基本依据；由于ii层的厚度本身有一个范围，从而可以通过matlab遍历所有的ii层厚度，找出符合条件的ii层的厚度。

技术总结
本发明公开一种功能性防火服及其热传导模型建立方法，防火服包括四层纺织面料，分别为由外到内设置的阻燃层、防水透气层、隔热层以及舒适层；热传导模型建立方法为本文采用热传导数学模型对问题进行求解，利用了热传导的稳定性和一致性，在建立热传导系统时，考虑将皮肤里层也纳入热传递范围，使得热传递模型更加符合实际，对于温度后期一直保持恒定给出了合理的解释。本文创造性地采用整体求解—分段截取的方法，即各层按所占比例划分，分别用有限差分法求出整体连续的值，再将第I层位于其右边界的值作为第II层左边界的值，以此类推，得到了连续稳定的分层次热传导模型，提高了模型的精确性。型的精确性。


技术研发人员：张小桐
受保护的技术使用者：南通凯利特纺织有限公司
技术研发日：2022.11.21
技术公布日：2023/7/22