基于非稳态导热的最优热防服参数研究

本文针对多层高温热防服的设计，以热力学定律构造有内热源的多层圆筒壁非稳态导热过程，利用一维导热微分方程和第三边界条件建立基于Logistic的非稳态导热模型，结合有限差分法求解出各层间时间和空间维度的温度分布。同时将热传导非稳态特性类比电路暂态特性，利用基尔霍夫方程演化至等效电路模型，根据实际环境与防护服参数约束条件，建立非线性规划模型，结合Mathematica、Multisim等软件进行求解和验证，得到了热防服最优厚度的设计方案。

十九大以来，随着全球信息化工能产业的飞速发展，大量从事在冶金、机械制造工业一线的工作人员长期面临着高温环境的损害。高温带来的热危害会威胁其生命安全和身心健康，因此设计专用的服装已成为各国进行高温防护的重要手段，同时也是我国经济发展过程中保障生产人员生命财产安全，提高产能效力的重要举措[1]。

热防服能够在高温环境下促进人体热量散发，防止热中暑、烧伤和灼伤等，长期以来，对于热防服的导热过程和热传导下厚度的研究一直是一个热门问题。早期的研究通过Pdepe 算法的皮肤表层热传导推演较为准确地表达了空气层和单层的固态热传导模型[2]；Torvi 课题组在考虑不同辐射场强的影响下， 结合空气层厚度的变换情况，建立了基于冷却时差的外层皮肤灼伤和内部热导模型[3]；部分研究从应用数学角度考虑分数阶偏微分方程的优化求解，推导出了多层非稳态热传递的温度分布精确表达式[4]；同时，优化反演模型的提出进一步验证了热对流的单值性分析的有效性[5]。纵观现有研究成果，在热防服导热模型的构建上已取得丰硕结论，但不足之处在于未充分考虑不同层之间边界条件对热传导的影响偏差，同时现代算法的模拟预测在特定工作环境中的最优厚度设计和分析等方面仍有提升空间。

因此本文主要考虑了多层热防服层间的导热微分关系和边界条件影响，利用热力学定律将热防服导热场量化为有内热源的多层圆筒壁非稳态导热过程，建立基于Logistic 的非稳态导热模型，求解出各层间时间维度的温度分布；进一步利用有限差分法求出空间维度上各层间的温度分布。之后根据实际设计中对特定工作环境和外界温度条件要求，创新地提出暂态电路等效法，结合基尔霍夫方程[6]，建立非线性规划，得到了最优热防服厚度设计数值，同时结合Multisim 进行仿真检验，进一步证明了算法模型的有效性。

2. 基于Logistic 非稳态导热模型的温度分布 2.1. 热传导定性分析 通过实验研究已知热防服每层材料的参数值以及实验假人表面外层温度5400 s 内的变化情况如图1，