摘 要

随着社会文明发展，人们也越来越关心对人体热防护的安全性了。服装从最开始就伴随着人类文明出现，最开始作为遮羞的物品，到后来衍生的多种多样类型，变成了装饰品乃至保护人体皮肤和生命的重要工具。

热防护服在日常生活中也越来越常见，在消防、炼钢、造船等行业也越来越普及，它们扮演着重要的角色，保障了工人师傅的安全，因此对热防护服的性能的了解和进一步研究也变得极为重要和有意义。本文主要从热交换的原理出发基于傅里叶定律建立热传递微分方程模型。

主要内容如下：

1. 介绍了热防护服的研究意义和研究背景，以及国外和国内对于热防护服装的研究现状，同时对本文的主要内容和其余方面进行简明论述。
2. 介绍了本文需要用到的数学模型，和从现实对象到数学模型的过程以及建立数学模型求解实际问题的意义。同时也介绍了数学模型的特点和分类
3. 建立专用热防护服的数学模型，结合仿真人皮肤表面温度散布，考虑根据传热学理论构建单独的热传递方程。由于不同层之间的相关材料对专用热防护服的传热有决定性的影响，因此需要建立不同层之间的传热微分方程。这就要求我们设置初始条件和界限条件，然后通过计算机软件来解出偏微分方程，进而得出结果。
4. 通过对模型的求解，在保证作业人员的安全的前提下，提出一个最优设计，来通过改变材料或者厚度等来改变其性能和特点，使专用热防护服装达到最佳性能，并运用遗传算法对问题进行求解。
5. 对此论文进行细致的总结，并且对文章中的一些创新的观点进行详细的阐述，同时对专用热防护服的未来研究进行展望并提出一些可实行的有效的观点。

关键词：热传递模型；傅里叶定律；安全性；遗传算法

Abstract

With the development of social civilization, people pay more and more attention to the safety of human thermal protection. Clothing has been accompanied by the emergence of human civilization from the very beginning, as a shame object at the very beginning, to a variety of types derived later, and has become an important tool for decoration and even for protecting human skin and life. Thermal protective clothing is becoming more and more common in daily life. It is becoming more and more popular in fire protection, steel-making, shipbuilding and other industries. They play an important role in ensuring the safety of workers. Therefore, it is very important and meaningful to understand and further study the performance of thermal protective clothing. In this paper, the differential equation model of heat transfer is established based on Fourier's law from the principle of heat exchange

The main contents are as follows:

Chapter 1, In the first chapter, the research significance and background of thermal protective clothing are introduced, as well as the research status of thermal protective clothing abroad and at home. At the same time, the main contents and other aspects of this paper are briefly described.

Chapter 2 introduces the mathematical model needed in this paper, the process from real object to mathematical model, and the significance of establishing mathematical model to solve practical problems. The characteristics and classification of mathematical models are also introduced.

Chapter 3 Establishment of Mathematical Model of Special Thermal Protective Clothing, combined with the simulation of human skin surface temperature distribution, a separate heat transfer equation is constructed according to the heat transfer theory. Because the related materials between different layers have decisive influence on the heat transfer of special thermal protective clothing, it is necessary to establish differential equation of heat transfer between different layers. This requires us to set the initial and boundary conditions, and then solve the partial differential equation by computer software, and then get the results.

In Chapter 4, by solving the model, on the premise of guaranteeing the safety of special-purpose clothing, an optimal design is proposed to change the performance and characteristics of special-purpose thermal protective clothing by changing the material or thickness, so as to achieve the best performance of special-purpose thermal protective clothing, and genetic algorithm is used to solve the problem.

In the fifth chapter, a detailed summary of this paper is given, and some innovative ideas in this paper are elaborated in detail. At the same time, the future research of special thermal protective clothing is prospected and some feasible and effective views are put forward.

Key Words：heat transfer model; Fourier law; security; genetic algorithm

文中符号说明

目录

第1章 绪论 1

1.1 热防护服装的研究背景 1

1.2 国内外的研究现状 2

1.2.1 本文的主要研究成果 3

第2章 数学模型 4

2.1 数学模型的介绍 4

2.1.1 建立数学模型 4

2.1.2 从现实对象到数学模型 4

2.2 数学模型的意义 5

2.2.1 数学建模的重要意义 5

2.2.2 数学建模的应用 5

第三章 “外界-热防护服-服装与皮肤之间空气层-皮肤”传热模型 7

3.1 热传递的两种表现形式 7

3.1.1 热传导 7

3.1.2 热辐射 7

3.2 模型的建立 8

3.2.1 导热微分方程 11

3.2.2 热辐射微分方程 12

3.2.3 空气层的热传递 13

3.3 模型求解 14

第4章 最优设计 18

4.1 多层热防护服 18

4.1.1 多层热防护服的最优厚度研究背景 18

4.2 基于遗传算法和非线性规划的函数寻优算法 18

4.2.1 模型建立 18

4.2.2 模型求解 19

4.2.3 建立模型 24

4.2.4 模型求解 25

第5章 总结与展望 27

5.1 模型优点 27

5.2 模型缺点 27

5.3 展望 27

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

关于本章，将先介绍对于专用热防护服装的研究背景和研究意义，然后介绍关于专用热防护服装的一些国内的和国外的研究现状，最后，讲本文的一些主要研究成果和一些突出观点进行阐述。

1.1 热防护服装的研究背景

作为人类活动必需品，服装在日常生活中扮演着越来越重要的角色从最开始的遮羞到现在的装饰、保护，人们对服装也就有了很高的要求，服装的多样性和功能也体现的淋漓尽致。

热防护服的作用是：在高温或者是超高温下工作的时候使工作人员的生命得到保障。同时热防护服具有阻燃性、防液性并且在遇热时衣服能够保证完整并且不会出现不舒适的现象。它可以用于石油、化工、冶金、造船、火灾保护、国家防守和开放式火灾，以及放出火花、熔融金属、可燃性物质的场合。

热防护服用布基本上可以分为：热辐射防护织物、热绝缘织物、阻燃织物和耐熔融抗金属溅射织物4种。作为热防护布使用的纤维，可以列举出无机耐热性纤维，如阿拉米德、聚苯二酚、聚苯二烯纤维、玻璃纤维、碳纤维、硅纤维等。

人类在高温环境下的热反应的研究非常重要，随着人类对生命安全的保护和对保护设备开发领域的需求的增加。在高温室外环境中，作为人体和环境热传递的最基本的媒介，特别的衣服对人体和环境的热交换产生了很大的影响，促进或阻碍人体热收支的形成。在当下，热防护技术越来越成熟，同时人们对防护服功用要求的逐步变高，热防护服的各个功能和性能也越来越完善，同时也和普通衣服一样有了较好的舒适性。特别是在很高的温度防护范畴，许多人死于心脏病，如直接火灾和死亡。

优异的热防护服具备良好的外热停堆能用，也具有恒定的热湿传递能力，有利于人体散热和汗液蒸发。然而，在防热服领域和研究中，提高防热性能、降低人体代谢热负荷一直是矛盾的，解决这一问题则是热防护服研究者面临的挑战和机遇。所以从热量交换的基本原理出发，对专用服装内部热传递的规律进行深入了解，为后续关于热防护服装的研究提出一些较可靠的理论依据，同时是也为高温作业人员负责。

1.2 国内外的研究现状

就消防服来说，消防服主要用于消防和救援的最前线，使队员免受白热火焰、热对流、辐射、热传导等的伤害。它能保护消防队员和其他高温作业人员的基本人身安全和生命安全。

早在上世纪80年代就有一些如美国和欧洲的其他发达国家对消防服等的热防护服的功能和特性进行了研究。经过了几十年的研究，专用热防护服的能用已经有了很大的改善和发展。其中，Krasny对消防服饰的性质和要求进行了分析和研究。在防火服的设计中，阐述了火灾环境的复杂性和多样性、皮肤烫伤、消防活动中应特别注意消防服的设计的一些问题。FORNELL就消防用热防护服的适用性问题进行了讨论，才开始进行讨论，就外套和裤子的连接设计的保护性能和穿着性能问题进行了研究^[11]。

防护服装的材料的开发状况让ROTMANN进行了总结，论述了消防衣料改进的必要性。此外，消防员的救火工作环境的复杂多变，无法预测，所以有一部分学者就列举了一些可能出现的会影响消防服装的状况，然后进行研究分析。M.C.DAY其他实验是长时间模拟在热箱中暴露的布的性质的变化，与原始面料进行比较。其结果，织物的强度被热和光降低了，但对服装材质的阻燃性和热保护性的影响并不明显。布赖恩和汉普顿在化学物质的作用下研究了织物强度的变动，然后测定了一些其他因素对防护服材料的影响，通过相比化学物质中的织物的外露时间可以决定^[11]。

只有一副外壳的的防护服是单层模型的热防护服装。国内外科学家主要研究火焰热辐射的影响，组织的物理性质，等等。在织物和皮革之间的空气层对防护服的热特性的形成。Gibson首次提供了在单层多孔环境中，在高温下向单层多孔环境输送热量和大规模模型。该模型不用在意热辐射对织物层的影响。为了改进模型，TORVI创建了一个热传导模型的热防护服包壳材料考虑。由于空气层的厚度是确定的TORVI开发了一个模型来计算内部传热和损伤的过程中的皮肤冷却过程中，以影响为基础的影响^[3]。

在圆筒坐标系统中，朱方龙研究了各种弯曲表面的热传导。ASTM D 4108开发了一个热传导模型预测防护服和空气层。基于混合和TORVI模型的联想信息。然后独联体比较实验数据来验证模型的有效性。调查结果，GHAZY获得了更详细的信息。和深入研究每个环节的皮肤热层在空气系统的西装：经验公式的导热性和具体的单层组织的热采用，这是改变从恒定变量到热传导过程，在高温下更适合；简单而准确的提出了空气层模型和单层组织传热模型与消防员密切相关的是热压力与保护服中的水分移动^[3]。ZIMMERLI研究了保护服内部对热传过程的保护服的水分的影响。其他实验者从生理角度比较了消防员的心跳数和体温，无论有没有保护服。弗里姆等消防员在不同的防水性和蒸汽透气层穿消防套装的时候，他们生理学的耐热性参数完全不同。

Huck和McCullough通过将消防员模型数据与高温工作人员本身的体感相结合，来评估了实用防护服的实战性。在实验室模拟的各种比较恶劣的环境下，VEGHTE测试和收集了消防员的身体信息。基于这些研究人员的研究，美国国际标准化机构、建筑和火灾研究所的研究所分别制定了相关标准。热防护服装材质的特性、热防护服的层数和厚度、大小及大小基准、热防护服的样式设计标准、防护性能要求、记号要求及各种各样的性能实验被具体地做了。规则。目前，ASTM、NFPA、EN开发的试验方法在世界范围内广泛使用。例如，ASTM D 4108 - 87衣物材料热防护性能TPP(热防护性能)开放火焰测试方法、ASTM FHING或器材热辐射防护性能、ISO 9151消防衣物阻燃剂、绝热性能测试规格等^[11]。

在热防护服方面，很多国外的研究人员都考虑到了空气层的厚度，并且对不同厚度的空气层带来的各种影响做了具体的研究。例如，消防服正在考虑每一层的消防，基于多孔介质传热模型的奇特皮格罗姆斯里。利用热传导方程和亨利克斯方程计算了材料之间的热辐射反馈，计算了人体的皮肤和时间，建立了“环境编织空气层皮肤”的一种模型。该模型还为后续研究人体空气层的厚度，以及消防服和人体皮肤的隔热性能提供了办法，也为烧伤时间的影响问题提供了设计的考虑方法^[2]。

最后，我国关于专用热防护服装的一些探讨比欧美一些国家晚一些，有许多大学，如天津工业大学、江南大学等和一些研究所如总后军需研究所等的研究所对织物阻燃热防护有一些研究和比较扎实的基础^[11]。

1.2.1 本文的主要研究成果

本文通过对专用热防护服的学习与了解，介绍了热防护服的基本工作原理和特点，并且通过学习数学建模，了解了数学建模的最基本的作用和意义。然后，本文以热量交换为基本原理， 建立了一维方向上的四层非稳态热传递微分方程模型；其次，构建非线性目标布局模型，以确定热防护服第二层的最优厚度，然后进行最优处理；最终，对服装质量进行下一步的实验和设计。

第2章 数学模型

2.1 数学模型的介绍

2.1.1 建立数学模型

随着社会人文和技术越来越快的进步，数学模型这个词语也被很多人所了解甚至被很多人熟知。与电气有关的工程师想要实现对该过程的一个有效的控制，就必须要建立他想控制的这个电气运行过程的一个有关数学模型，然后才能用这个数学模型对他的设备或者装置进行合理的计算，然后才能达到一个准确有效的电气控制。大家要想得到很好的气象预告，他们就要时刻关注气象站得到的气压、雨量、风速、湿度等的数据所建立的完好的数学模型。

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