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标题 多层隔热装备的热防护性能与优化设计
范文

    杨哲瑜 曾思怡 余冠辰

    

    

    

    摘要:本文建立了热防护服的四层热传导模型,利用古典显式差分法对工况1进行MATLAB求解,研究其热防护性能;同时采用粒子群算法对工况2下防护服的厚度进行优化设计。研究得到工况1下各层的温度分布并绘制温度分布图,工况2下防护服第三层的最优厚度。本文研究内容对于热防护服的设计具有一定借鉴意义。

    关键词:热传导模型;古典显式差分法;粒子群优化算法

    一、引言

    近年来,森林火灾发生频率激增,不断吞噬消防员的生命, 因此对于高温作业下热防护服的优化设计显得尤为重要。关于 热防护服的设计,国内外许多的学者做了大量的研究。不同于 以往研究,本文主要用假人的体温变化来研究在特定边界条件 下防护服的的热防护性能,利用有限差分法求解抛物型偏微分 方程并得到温度分布三维图;采用粒子群算法优化算法来计算 体温条件下的 II 层的最优厚度。

    二、工况设定与模型建立

    2.1 工况设定

    本文工况测试选取专业服装材料及假人皮肤外侧温度变 化。专用服装通常由三层织物材料构成,记为第 I、II、III 层, 其中 I 层与外界环境接触,III 层与皮肤之间存在空隙,将此空 隙记为 IV 层。

    工况 1:对环境温度为 75?C、人体温度 37?C、第 II 层厚度 为 6mm、IV 层厚度为 5mm、工作时间为 90 分钟的情形开展 实验,得到假人皮肤外侧的温度。

    工况 2:当环境温度为 65?C、IV 层的厚度为 5.5mm,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。

    2.2 模型设定

    2.2.1 热传导模型的建立

    首先建立四层热防护服-空 气-皮肤系统的示意图如下: 现在要模拟热量通过高温 作业服的过程。参考一维热传导 方程的推导,可得Ⅰ层织物的热 传导方程为:

    同理,将上式推广到i 层织 物材料,得到各层的热传导方程:

    我们设定:相邻两层材料之间,左侧材料的右底面与右侧 材料的左底面温度相等。

    由此得到数学模型:

    2.2.2 边界条件的设定

    Ⅰ层与外界环境直接接触的面,温度与外界环境相同:? , 人体表面温度关于时刻值 t 的函数为 a(t),Ⅳ层右 底面与人体表面直接接触的面,故温度与人体表面温度相同:

    2.2.3 差分求解

    三、结果分析

    3.1 工况

    1 下防护服的热防护性能 工况 1 下,我们取左边界温度为 75℃,右边界温度分布为 a,初始空间步长 0.01 h ,时间步长 1? ,对热传导的四阶抛 物型偏微分方程组进行 MATLAB 编程求解,得到 t x?平面 上的温度数据并绘制在时空上的分布图。由计算结果得到,第 Ⅰ层温度稳定于 75℃,第 II 层稳定于 74.94℃,第 III 层稳定于 67.85℃,第 IV 层稳定于 47.87℃。

    3.2 工况 2 下防护服的最优厚度

    粒子群算法,又称 PSO 算法,PSO 初始化为一群随机粒子 (随机解),所有粒子都遵循一个由被优化函数所确定的适值, 每个粒子还有一个速度决定它们的飞行方向与距离。所有粒子 都追随着当前最优粒子的搜索区域在空间中进行搜索,然后通 过迭代找到最优解。在每一次迭代中,粒子通过追踪两个极值 来更新自己;第一个是粒子本身所找到的最优解;另外一个是 整个种群中目前找到的最优解,这个极值就是全局极值。

    由于差分方程的递推性,可由处于 1 j 时的u 值来推导得 到 j 位置的u 值,所以通过不断递推,可通过于已知的 0 m 时的一系列初值来建立一个由 x L2 为自变量,皮肤表层温度即 hLLxLLj /)4321( 的函数关系。将该关系作为 PSO 模 型中的待优化函数。并将种群规模设置为 5,将进化次数设置 为 20 次通过 Matlab 编程的 PSO 算法进行求解。得到的待优化 函数粒子进化與厚度适应关系。最终得第二层的最优厚度为 8.817mm。

    参考文献:

    [1]张庆科. 粒子群优化算法及差分进行算法研究[D]. 山 东大学,2017.

    [2]贾海峰. 一维热传导方程的推导[J]. 科技信息, 2013(02):159.

    [3]消防员个人防护装备[J]. 安防科技,2013(01):36-37.

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更新时间:2025/3/15 9:08:10