基于传热学原理的高温作业专用服设计
高温作业专用服装设计
高温作业专用服装设计高温作业专用服装是为了保护人们在高温环境下工作时的身体健康而设计的一种特殊服装。
随着现代工业的发展和人们对工作环境安全和员工健康的重视，高温作业专用服装的研发和设计变得越来越重要。
本文将探讨高温作业专用服装的设计原理和要点，并且提出一种创新的高温作业专用服装设计方案。
高温作业专用服装的设计需要考虑到以下几个方面：透气性、防护性、舒适性和功能性。
透气性是指服装的材料能够让空气和水蒸气自由地通过，以保持人体正常的温度和湿度。
在高温环境下工作时，人体会大量出汗，如果没有透气性良好的服装来排汗，就容易出现中暑和热射病等健康问题。
高温作业专用服装的材料应该选择具有良好透气性的纤维，如棉、麻和透气膜等。
高温作业专用服装的设计要考虑到防护性。
高温环境下，人体容易受到高温和热辐射的伤害，因此服装需要具备一定的防护功能。
服装的外层材料可以选择具有较低的热导率和较高的热稳定性的纤维材料，如聚酰亚胺纤维和耐热纤维等，以减少热辐射的伤害。
服装的设计还要考虑到防火和防烫的功能，以保护人体免受火焰和热源的伤害。
高温作业专用服装的设计还需要考虑到舒适性。
舒适性是指服装对人体穿着时的舒适感和适应性。
在高温环境下工作时，人体会感到热和不适，因此服装需要具备良好的湿气调节性和吸湿性，使人体保持相对干燥的状态。
服装的设计还应该考虑到人体运动的自由度和舒适度，避免过于紧身和束缚，以免影响工作效率。
高温作业专用服装的设计还需要具备一定的功能性。
功能性是指服装能够满足特定工作环境和工作任务的需求。
在高温环境下工作时，人们需要面对的工作任务和工作环境各有不同，因此服装的设计应该根据具体情况进行调整和改进。
一些高温作业需要人体频繁移动和弯曲，因此服装需要具备较好的伸缩性和耐磨性；而一些高温作业可能需要人体长时间保持相对静止，因此服装需要具备较好的保温性和保护性。
高温作业专用服装的设计需要考虑到透气性、防护性、舒适性和功能性等要点。
高温作业专用服装设计
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald82DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.15.082高温作业专用服装设计①邱秀亮 俞青清 杨位乾 陈旭(集美大学诚毅学院 福建厦门 361000)摘 要：本文基于傅立叶定律结合多层平壁热传递模型和干燥热传递模型，构造时间—位置—温度的热传递偏微分方程来解决热防护服装厚度的合理设计问题，然后将偏微分方程进行离散化处理，通过数据预处理发现皮肤表层超过1646s 以后温度不再增长，我们认为自此系统处于动态热平衡状态。
利用有限差分法在MATLAB上算出动态热平衡之前的温度分布，得到动态热平衡状态时各层交界处的温度。
关键词：热防护服 干燥热传递模型 有限差分法中图分类号：TS941.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2019)05(c)-0082-02①基金项目：本文是2018年“创新创业训练计划”中的项目《高温作业专用服装设计》（项目编号：201813471003 ）的阶段性成果。
作者简介：邱秀亮（1983，1—），男，汉族，江西赣州人，硕士研究生，讲师，研究方向：图论、复杂网络、偏微分方程。
现如今人们从事各种高温作业下的安全隐患有增加的趋势，在高温条件下热防护服具备对人体进行安全防护的功能而显得十分重要。
比如消防员在火场环境灭火救援时常处于高温高辐射的环境，如果防护服太厚重，经常会导致热应激反应，因此在高温作业时保护人体皮肤不受伤害的前提下，如何减少防护服厚度，是本文讨论的根本问题。
目前急需要解决的问题有：(1)根据已知的服装材料的参数值以及在条件为75℃环境温度、II层厚度为6mm、IV 层厚度为5mm、工作时间为90min的情形下，计算温度的分布；(2)当环境温度为65℃时，IV层厚度为5.5mm时，在确保工作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的条件下确定II层最优厚度；(3)当环境温度为80℃时，在保证工作30min时，其余条件与上述相同以此来确定II层和IV层的最优厚度。
基于傅里叶热传导定律关于高温工作服装的设计
基于傅里叶热传导定律[1]关于高温工作服装的设计高艺倩（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443000）随着科技的发展，人们生活水平的提高离不开各个岗位的工作人员的付出。
再艰巨的环境都要完成任务，比如在高温环境中工作时，人体会出现一系列的生理功能改变，这些功能在一定范围内可有幅变化，但若超过限度就会产生不良影响，所以热防护服就成为了防护高温的重要方法之一。
热防护服是指在高温中穿的促进人体散发热量的、防止热中暑、烧灼伤等的具有防护功能的服装，除了要有较好的阻燃性，而且要有较高的隔热性能。
其原理是减缓热量的转移速度，使热量在人体皮肤上尽少积聚，以保证不被烧灼伤。
1基于傅里叶热传导定律的算法在dt 时间内，沿着某面积元ds 的外法线的方向流过的热量dq ⭢和这个面积元两侧的温度的变化率∂u/∂n 成正比，两者的比例系数为W 。
由于在自然条件下的温度是处于减少的趋势，故在等式的右边有个负号，如下所示：在上述式子中间的W 为导热系数（单位为W/m 2），e ⭢n 是该面积元的外法向量。
在对于一个封闭的体积元Ω的时候，dt 时间内它内部的热量变化为dQ 通过对体积元的闭合面积分，得到以下式子：得到上述式子之后，再进一步地对时间进行积分，这样就可以得到从t 1到t 2时刻流入体积元内部的热量Q 1，再由高斯公式可以的得到以下式子：我们在初中的时候学过类似的热力学公式，为某一物体吸收的热量等于这个物体的质量、比热容和温度增量的乘积。
根据上述热力学公式我们可以得到以下公式：变形得到上述式子之后可以根据热量守恒得到化简以后的式子：如果在物体的内部是存在热源的，那么在dt 的时间内，在（x ，y ，z ）地方的体积元内所产生的热量就是F （x ，y ，z ，t ），所以同样地，我们很容易地就得到了含有热源的热传导的Poisson 方程，如下所示：但却存在一种情况，就是在边界绝热的条件下，如果内部有不灭的热源是没有办法达到热平衡的。
高温作业专用服装的合理设计
2019第2期中（总第291期）此问题，属于数据预测类问题。
首先构建一个皮肤内侧等效热导层，并建立一维多层平壁导热模型。
发现同一介质内部温度随距离成一次函数关系，建立一个关于各层平壁边界温度的四元方程组，求得稳定状态时温度随位置分布Tmax （x ）。
通过MATLAB 的cftool 工具箱，拟合得到高温条件下某位置温度变化的单一位置参数函数，分析得到参数值和各位置温度变化T （x,t ）,以位置x 步长0.1mm 、时间t 步长1s ，得到温度分布。
对非稳定状态下导热公式（4）离散化，使用差分方法求x=δ5的近似解，与拟合的函数比较，验证函数准确可靠。
最后对本文所建立的高温作业服装模型进行了客观的评价，提出了改进的建议，结合整个模型特点进行推广，提高此模型的实际生产意义。
一、模型假设假设服装各层的热导率等理化因子不随温度变化，且各材料具有各向同性；假设多层平壁紧密结合，结合面的温度相同，不存在热突变；假设热量传递仅依靠热传导，不涉及热辐射和热对流；假设温度不会发生突变，皮肤外侧温度为紧靠近皮肤处温度，皮肤内侧存在小距离温度变化层。
二、模型的建立与求解第一部分：问题1的模型（一）热稳定时材料内部温度分布高温作业服装有I 、II 、III 三层织物材料，其中I 层与外界环境接触，III 层与皮肤之间还存在空隙为IV 层，为了处理假人体内温度恒为37℃，而皮肤表面温度随时间变化，则构建一个皮肤等效热导层v 层存在于体表内侧，其等效热传导率与Ⅳ层相同。
图1皮肤的等效热传导的模型T5为假人的体内温度，即Ⅴ层下限边界温度；T0为服装外界高温环境温度，即Ⅰ层上限边界温度。
将体内温度为37oC 的假人放置在高温环境中，测量假人皮肤外侧的温度，根据题目所给附件二的具体数值通过程序2画出图2。
由图2可知，将假人放置在高温条件1625秒时，体表外侧服装内侧达到最大值48.08℃。
由于各层的长、宽都远远大于其厚度，因此假设我们的研究对象是无限大平壁。
高温作业专用服装设计数学建模
高温作业专用服装设计数学建模引言高温作业条件下工作人员需要穿着专用的服装，以保护身体免受高温的伤害。
本文将通过数学建模的方法，探讨高温作业专用服装的设计问题。
通过分析热传导理论、热耗散原理和人体工程学等知识，以及使用数学模型和计算机仿真，设计出一款适合高温作业的专用服装。
背景知识热传导理论热传导是指热量通过材料的传递现象。
根据傅里叶热传导定律，热量的传导速率与温度梯度成正比。
在高温作业环境中，人体会产生大量的热量，若无法及时散热，可能导致中暑等严重后果。
热耗散原理热耗散是指热量通过热辐射、对流和传导等形式散发到周围环境的过程。
在高温作业中，热耗散是消耗热量的主要方式。
通过合理设计服装的热耗散特性，可以提高服装的散热能力，保护工作人员的身体。
人体工程学人体工程学是研究人体与工作环境之间的相互关系的学科。
通过了解人体特性，合理设计服装的结构和尺寸，可以使工作人员感到舒适，提高工作效率。
设计目标根据上述背景知识，我们的设计目标是设计一款高温作业专用服装，要求具有以下特点：•热传导小：降低热量对人体的传递，减轻体感温度。
•散热快：提高服装的热耗散能力，加速热量的散发。
•舒适性好：根据人体工程学原理，设计服装的结构和尺寸，使工作人员感到舒适。
数学建模为了实现上述设计目标，我们将使用数学建模的方法进行分析和设计。
下面是我们设计过程中使用的数学模型：热传导模型根据热传导理论，我们可以建立服装材料内部热传导的数学模型。
通过对材料的热传导特性进行数学描述，可以计算出热传导速率，从而评估服装材料的热传导性能。
热耗散模型热耗散是指热量通过热辐射、对流和传导等形式散发到周围环境的过程。
我们可以建立服装的热耗散模型，计算出服装的散热能力，并通过改变服装结构和材料来提高散热效果。
人体工程学模型人体工程学模型可以帮助我们了解人体的尺寸和特性，通过数学计算和计算机仿真，我们可以获得人体在不同环境下的舒适度评估。
根据评估结果，我们可以调整服装的尺寸和结构，使其更符合人体工程学原理。
基于热传导模型的高温作业服装设计分析
工艺与技术2020年第2期75基于热传导模型的高温作业服装设计分析尹晓倩，段良淑，王 伟，齐小彤，董伟峰（青岛理工大学商学院，山东 青岛 266520）摘 要：建立非稳态一维传热模型考虑热传导和热对流两种传热方式，根据厚度与温度的关系寻找相适应的边界条件，利用所给数据进行拟合找到最优值，建立一维传热模型。
文章最后运用有限差分法求解温度随时间和空间变化的函数关系式，得到平衡时的温度为48.08329℃，以及第I 层和第IV 层换热系数的参数。
关键词：热传导方程；有限差分法；目标优化模型；高温作业服装中图分类号：TS941.731.3 文献标志码：A 文章编号：2096-3092（2020）02-0075-01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。
1 问题分析建立关于第Ⅱ层材料厚度的优化模型，以最小厚度为优化目标，以第Ⅱ层厚度为优化参数，基于已经建立的热传导模型来确立最优化问题的约束条件，从而建立Ⅱ层最优厚度的单目标优化模型。
最后利用遍历搜索法对Ⅱ层所有可能厚度进行遍历，求出满足约束条件的最小值。
2 模型建立2.1 优化目标建立在服装设计过程中考虑成本和舒适度，将优化目标确定为第Ⅱ层最小厚度：min d 2。
2.2 约束条件确定47℃的约束条皮肤层温度不超过47℃，如下：T （x ,t =3600）≤475min 的约束条件，由于限定工作总时长为60min，为保证温度超过44℃的时间不超过5min 的约束条件，即保证t ≥55min，即t ≤3300s 时，皮肤层温度不超过44℃即可。
约束条件表达式：T （x ,t ≥3600）≤44附件一中Ⅱ层厚度约束条件：0.6mm ≤d 2≤25mm综上所述，Ⅱ层厚度的优化模型综合：优化目标：min d 2T （x ,t =3600）≤47T （x ,t ≥3600）≤440.6mm ≤d 2≤25mm3 模型的求解因为Ⅱ层厚度越厚，热阻越大，达到平衡时的温度越低，也可以满足工作60min，保证假人皮肤外侧温度不超过47℃，皮肤外侧温度超过44℃的时间不超过5min 的约束条件。
基于热传导机理的高温作业专用服装优化研究
张文远 1，朱家明 2，张云蔚 3
（1.安徽财经大学 金融学院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽财经大学 统计与应用数学学院，安徽 蚌埠 233000； 3.同济大学医学院，上海 200092）
摘 要： 针对高温作业专用服装各材料层温度分布问题，借助 BP 神经网络对假人皮肤温度与作业时间进行 拟合，通过建立基于空气层、专用服装材料层和皮肤外侧温度分布的热传导偏微分方程进行求解；针对服装材料 层最优厚度设计问题，构造约束条件下的适应度函数，结合遗传算法进行了寻优。综合运用了 MATLAB、Excel 等软件对数据进行处理并编程求解，得到了一定前提条件下各材料层随时间分布的温度数据及单层服装材料层最 优厚度结论，与实际相近，验证了模型的有效性和可行性，为模型推广应用到作业服装研发领域奠定了基础。
Abstract: Considering the temperature distribution of each material layer in the special clothing for high
temperature operation, the BP neural network is used to fit the skin temperature and working time of the dummy, and the heat conduction partial differential equation based on the air layer, the special clothing material layer and the outer skin temperature distribution is solved. For the optimal thickness design problem of the clothing material layer, the fitness function under the constraint condition is combined with the genetic algorithm to be optimized. Using MATLAB, Excel and other software to process and program the data, the temperature data of each material layer distributed with time and the optimal thickness of the single layer of clothing material layer are obtained under certain preconditions, which is similar to the actual one, verifies the validity and feasibility of the model, and lays a foundation for the application of the model to the field of workwear research and development field.
高温作业专用服装设计-download
高温作业专用服装设计摘要本文对高温作业的热防护服进行研究，通过建立数学模型，运用遗传算法、热阻分析法对热防护服的材料进行热传递研究，并求出合理的解。
针对问题一，首先对热防护服进行微元法分析，可以将防护服看成多块平板拼接而成。
再假设热传递是沿垂直于皮肤方向进行的，并忽略了热辐射和热对流，只考虑热传导。
进而我们可以使用一维多层平板的热阻分析法。
求得第i层右壁的温度为：T i(t)=T i+1(t)+r i+1q(t)。
再由附件给出的假人皮肤外侧温度随时间分布表我们就可以计算出各个接面的温度，并存于“problem1.xlsx”。
并绘制“各接面温度随时间变化分布图”和“模型（1-1）热防护服内部温度的曲面图”。
针对问题二，首先对热防护服同样做了微元法分析，可以将热防护服看成多块平板拼接而成。
然后对问题进行假设：热传递为垂直皮肤方向进行，故可视为一维的；热防护服的织物是各项同性的。
从而建立热传递模型，因为第II层材料数值变量的不确定性，具有一定的离散特征，且所建立的偏微分方程要得出满足条件的解析表达式比较困难，因此采用在可接受的时间和在可接受的精度范围内求出数值函数近似最优解的方法，即利用遗传算法。
将适应度函数代入MATLAB算法工具箱使用遗传算法求解，设置变量上下界为[0.0006,0.025]。
求出以F tem21为目标函数的适应度函数结果为4.768。
求出以F tem22为目标函数的适应度函数结果为2.708mm。
为确保环境温度为65ºC时，工作60分钟，假人皮肤外侧温度不超过47ºC，且超过44ºC的时间不超过5分钟。
取较大值4.768mm。
针对问题三，与第二问相似，建立偏微分方程使用差分法求数值解，相对第二问的偏微分方程多出用于表示第IV层变量，利用遗传算法进行多参数优化。
利用热传递方程求出适应度函数，再将适应度函数代入MATLAB算法工具箱使用遗传算法求解，设置变量1上下界为[0.0006,0.0064]，变量2上下界为[0.0006,0.0025]。
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基于传热学原理的高温作业专用服设计
我国在经济高速发展，国际地位快速提高的过程中，始终秉承“以人为本”的理念，因此，从事诸如消防及金属冶炼等高温作业的工作人员的人身安全越来越引发社会各界的关注与重视。
其中，研发高温作业专用服成为当前公共安全领域研究的重要内容。
为了科学合理的设计高温作业专用服，本文基于传热学基本原理，意在模拟高温条件下，人体皮肤外侧温度分布情况从而确定高温作业专用服的不同层的最优厚度，达到在保护工作人员生命安全的前提下，高温作业专用服经济实惠，轻便易携的目标。
标签：传热学;高温;专用服;多层织物层
一.引言
高温工作专用服分别由织物层Ⅰ、织物层Ⅱ、织物层Ⅲ、空气间隙Ⅳ组成。
忽略高温工作服以及人体的具体外形，抽象成若干同心圆柱筒，忽略端部边缘效应。
根据圆柱体的对称性，则仅需考虑某一过同心圆柱体的横截面的二分之一即可。
如图1所构建的高温作业专用服-空气间隙-假人抽象模型系统，由于结构和所处环境的一致性，则仅考虑一条直线即可代表整个系统。
二.多层织物层的参数化建模及分析
使用典型多层隔热结构，结构长度与宽度保持150mm不变。
在ANSYS Workbench平台Design modeler中进行参数化建模，建模过程中首先建立最下层结构层模型，将结构层厚度设置为设计变量参数。
本文选择比例选择方法，选择单点交叉算子作为交叉算子，选用基本位变异算子作为变异算子，变异概率为Pm。
1优化设计软件程序流程
优化设计软件程序流程基于遗传算法的多层吸波材料优化设计软件程序流程。
初始参数设置为：种群大小M为50～500，运行代数generation 为100～300，交叉概率为0.2～0.99，变异概率为0.001～0.1。
2多层织物层的优化
优化使用ANSYS Workbench平台的多目标响应面优化模块，优化方法选择MOGA多目标遗传优化算法。
MOGA算目前较为流行的非支配排序遗传算法算法的一种变体，是一种基于精英控制概念的遗传算法。
MOGA算法支持多个目标和多个约束条件，最终在全局中找到最优解。
根据本节优化问题选择MOGA 算法。
多层隔热结构Ⅱ层厚度作为设计变量，假人皮肤外侧温度及时间作为优化目标，控制条件为确保工作60分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47?C，且超过44?C的时间不超过5分钟，根据各织物层及空气层传热规律进行设置。
设定初
始实验样本种群数量为500，每次迭代选取100个样本并从中选出3个候选样本，设置子迭代步数为20步。
图2中，横坐标为初始种群各实验点名称，纵坐标为各设计变量取值。
由图可以看出，初始种群中，各设计变量分布在其变量变化范围内分布均匀合理，表明所选取初始种群能够通过遗传迭代得到所需精英子代，反复迭代最终得到全局最优解。
根据图2可以看出，织物层边界温度随II厚度变化呈二次线性相关。
当环境温度为65?C、IV层的厚度为5.5 mm时，确保工作60分钟时，随着Ⅱ层厚度从1增加至10mm，假人皮肤外侧温度在60分钟时不超过47?C，且超过44?C 的时间不超过5分钟，由58.2?C左右递减至30.7?C。
经过1294次迭代计算，最终迭代结果收敛，得到Ⅱ层厚度为4.5-5.1mm时，温度符合标准。
三.模型的检验
本文在选择热传导方程的差分格式时，采取用具体算例的方式选取合适的差分格式。
作为对照，给出该问题的准确解，用以确定哪一种格式最优。
下图（图3）即为本文在模型检验过程中MATLAB运行结果之一。
之后，本文又选取不同步长组合，以验证规律的普遍性。
根据上述结果可以看出，古典隐格式较其他两种格式的收敛性有明显的优越性。
故本文采用古典隐格式作为热传导方程的差分格式进行编程。
参考文献
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