高温作业专用服装传热问题的研究

张梦童 魏月超 罗建春 李俊松

摘   要：本文针对高温作业专用服装设计的问题进行探讨，运用了傅里叶热传导定律、拉普拉斯变换方法和穷举法，建立了半无限长细杆导热模型、基于MATLAB穷举法的厚度优化模型，得出了高温工作服四层材料（包括人体与服装间隙）在高溫环境下的温度分布求法以及在给定的温度环境和工作时间限制下，确定满足实际科研目标的一层及多层可变材料最优厚度的有效方法，提出合理的厚度优化建议。

关键词：温度分布  傅里叶热传导定律  拉普拉斯变换  半无限长细竿导热模型  厚度优化

中图分类号：O551.3                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（a）-0117-02

高温作业专用服装是指能够保护在极端天气（高温或超高温）和特殊场所的工作人员，减少职业伤害的服装。人在高温环境中工作，往往会导致中暑等机体功能失调的热致疾患，所以高温作业专用服装的研究可谓非常迫切[1]。为了降低研发成本、缩短研发周期，需要利用数学模型来确定假人在高温环境中穿着的服装各层材料温度变化情况，并解决不同要求下中间层可变层的最佳厚度等实际问题。

高温作业专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间还存在空隙，将此空隙记为IV层。这四层材料由外到内的分布情况如图1由左到右所示。

各层密度、比热容、热传导率、厚度已知的前提下，可以由某一环境温度下，一段时间内开展实验测量所得的假人皮肤外侧的温度表，建立数学模型[2]，计算整件衣服的温度分布。

由条件将以上方程组中时间t取t2和t1，建立了厚度优化模型，利用MATLAB结合穷举法，按照规定步长调整第II层材料厚度，分别迭代计算出环境温度下对应的系统温度分布，筛选求出符合题目要求的II层厚度可取值的集合A和B。最后根据实际科研与生产需求，选择交集中d2的最小值作为所求II层材料的最优厚度[4]。

将上述数学模型稍作修改还可以计算某两层材料（如第II层和IV层）可变时分别的最佳厚度，确保给定工作时间中的某一长度时间[t1，t2]内，假人皮肤外侧温度在维持在一定范围内。利用以上方程组，借助MATLAB，按照规定步长调整第II层和IV层材料厚度，采用穷举法可迭代求解出各自的集合，再取得最优质厚度。

参考文献

[1] 李红彦，孙成勋，朱宝余，等.夏季高温环境户外作业服的热功能设计方法[J].西南师范大学学报：自然科学版，2016（6）：146-151.

[2] 徐美.几个典型的数学物理方程的物理解读[J].物理通报，2017（6）：33-35，39.

[3] 潘斌.热防护服装热传递数学建模及参数决定反问题[D].浙江理工大学，2017.

[4] 石宏亮，崔建伟.高温工作服面料隔热性能研究[J].上海纺织科技，2001（4）：51-53.