多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定

摘要

对热防护服装的数理研究，主要是要用数学模型描述热防护服装-空气层-皮肤系统内的热力学规律，为热防护服装的功能性设计提供理论参考，当前对于热防护服的研究主要集中在热防护服装新型测试方法、服装热防护性能预测模型，以及对新兴材料在热防护服装上的应用等等.本文通过多层热防护服-空气层-皮肤这一系统来完整阐述热传递过程，并结合烧伤准则，给出了各级烧伤时间的预测及系统参数的初步研究.同时，综合考虑皮肤层的热传递模型及烧伤评价模型，给出了反问题的合理提法.
　　文中的内容是如下安排:
　　第一章，介绍了热防护服装的研究背景和意义、国内外的研究成果，并对本文的研究内容进行了简要描述.
　　第二章，建立了热防服装-空气层-皮肤系统中的热传递模型，研究了在闪火条件下多层热防护服装、空气层和皮肤的热传递过程，同时采用了显热容和热传导系数随温度变化的经验公式，分析了实际状况下热源与织物层、织物层与织物层、织物层与空气层及空气层与皮肤层之间的热交换边界条件，由此该模型变成一个非线性变系数抛物型方程.进一步，用有限差分法证明该抛物方程的收敛率.最后，给出了数值实例，并与已验证的模型进行比较，说明模型的可靠性.
　　第三章，基于热防护服装-空气层-皮肤系统的热传递模型，结合Henriques皮肤烧伤准则，通过数值模拟的手段，得到达到一级、二级和三级烧伤的最长安全工作时间，为高温作业者提供有用的安全指导.同时，我们给出了空气层存在与否对温度变化快慢和烧伤时间长短的影响情况，及织物厚度对烧伤程度的影响，初步介绍部分参数对热防护服装的防护性能影响.
　　第四章，给出热防护服设计反问题的一种合理提法:在保证安全性的前提下，以减小烧伤程度为目标，最优决定厚度、孔隙率和热传导率.通过对皮肤烧伤规律的进一步研究，将该反问题归结为优化问题，并采用遗传算法进行求解，
　　第五章，对本文的全部研究内容进行了总结，对创新点进行提炼，并给出了一些可继续研究的问题.

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究成果

第二章 热防护服-空气层-皮肤系统中热传递模型

2．1 模型假设

2．2 数学模型

2．2．1 热防服中的热传递

2．2．2 空气层的热传递

2．2．3皮肤中的热传递

2．3 正问题的数值分析

2．3．1 数值解的收敛率

2．4 数值算法以及验证

2．4．1 数值算法

2．4．2 模型验证

第三章 基于正问题的皮肤烧伤度预测

3．1 皮肤烧伤程度表示

3．2 临界时间与最长安全工作时间

3．2．1 一级、二级烧伤的最长安全工作时间

3．2．2 三级烧伤的最长安全工作时间

3．2．3 结论

3．3 空气层与织物变量对防护性能的影响

3．3．1 空气层对防护性能的影响

3．3．2 织物厚度对防护性能的影响

第四章 基于遗传算法的多层热防护服设计反问题

4．1 反问题的数学提法

4．2 厚度决定反问题

4．2．1 数值实现

4．2．2 遗传算法

4．3 热防护服孔隙率决定反问题

4．3．1 数值实现

4．4 织物热传导率决定反问题

4．4．1 数值实现

第五章 总结和展望

5．1 内容总结

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表和完成的论文目录

致谢