火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟.pdf
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1、第3 0 卷第4 期 2 0 0 9 年4 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 3 0N o 4 A p r 2 0 0 9 文章编号:0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 9 ) 0 4 0 1 0 6 0 5 火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟 朱方龙1 ,王秀娟1 ( 1 中原工学院服装与艺术学院,河南郑州 ,张启泽1 ,张渭源2 4 5 0 0 0 7 ;2 东华大学服装学院,上海2 0 0 0 5 1 ) 摘要 通过建立穿着于模拟人体的应急救援防护织物传热模型,研究模拟火灾环境下的服装传热特征
2、。模拟人 体肢体的圆柱体内核保持恒定温度3 7 ,模型考虑了织物吸收热辐射及热属性随温度变化的特性,运用有限差分 完全隐式格式方法模拟计算织物与人体皮肤的一维径向温度分布,将计算得到的温度值代入H e n r i q u e s 烧伤模型方 程以预测皮肤达到二级烧伤所需的时间,其值与实验结果较为一致。研究结果表明,圆柱几何形状对天然阻燃高 聚物纤维织物的热防护性能影响效果较为显著,所建立的模型为覆盖于圆柱体的多孔材料传热提供了系统的研究 方法。 关键词应急防护服;传热模型;火灾;热防护性能 中图分类号:T S9 4 1 7 3 2文献标志码:A N u m e r i c a lm o d e
3、 lo fh e a tt r a n s f e ri np r o t e c t i v ec l o t h i n gf o r e m e r g e n c yr e s c u ei nf i r ef i g h t i n g Z H UF a n g l o n 9 1 ,W A N GX i u j U g h l ,Z H A N GQ i z e l ,Z H A N GW e i y u a n 2 ( 1 F a s h i o nD e s i g na n dE n g i n e e r i n g ,Z h o n g y u a nU n i v e
4、r s i t yo fT e c h n o l o g y ,Z h e n g z h o u ,t t e n a n4 5 0 0 0 7 ,C h i n a ; 2 F a s h i o nI n s t i t u t e ,D o n g h u aU n i v e r s i t y ,S h a n g h a i2 0 0 0 5 1 ,C h i n a ) A b s t r a c tI no r d e rt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a tt r a n s f e rw i t
5、h i nt h ec l o t h i n ge x p o s e dt of i r e ,t h ep a p e r d e v e l o p s an u m e r i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e ri ne m e r g e n c yr e s c u ep r o t e c t i v ef a b r i c s s h e a t h i n gac y l i n d e r s i m u l a t i n gah u m a nl i m b T h ec o l u m ni n s i d et h e
6、c y l i n d e rs y s t e ms i m u l a t i n gt h eh u m a nb o d yi sa s s u m e dt o k e e pa tac o n s t a n tt e m p e r a t u r eo f3 7 T h i sm o d e lh a st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nt h ep r o t e c t i v ec l o t h i n g a b s o r b i n gt h er a d i a n th e a ta n dt h ec h a
7、n g eo fi t sp r o p e r t i e sr e s u l t i n gf r o mi t T e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt h e r a d i a lb e t w e e nt h ec l o t h i n ga n ds k i nW a sc a l c u l a t e dw i t ht h eh e l po faf i n i t ed i f f e r e n c e ,c o m p l e t ei m p l i c i t s c h e m e H e
8、 n r i q u e s s k i nb u r ne q u a t i o ni sq u o t e dt op r e d i c tt h et i m en e e d e dl e a d i n gt oas e c o n d d e g r e et h e r m a l b u r nb a s e do nt h ec a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ev a l u e T h er e s u l t sc o i n c i d ew i t he x p e r i m e n t a lv a l u e s
9、T h en u m e r i c a l m o d e ls h o w st h a tt h ec y l i n d r i c a lg e o m e t r yh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h et h e r m a lp r o t e c t i v ep e r f o r m a n c eo ft h e i n t r i n s i c a lh e a t f l a m er e s i s t a n tf a b r i co fp o l y m e rn a t u r e A tt h es
10、 a m et i m e ,t h em e t h o da l s oh e l p st oe s t a b l i s ha s y s t e m a t i cw a yf o ra n a l y z i n gh e a tt r a n s f e ri no t h e rc y l i n d r i c a la p p l i c a t i o n s K e yw o r d se m e r g e n c yp r o t e c t i v ec l o t h i n g ;h e a tt r a n s f e rm o d e l ;f i r
11、e ;t h e r m a lp r o t e c t i v ep e r f o r m a n c e 由于应急热防护服装的特殊功能性,其材料必 须具有良好的隔热、阻燃特性。目前,开发新型防护 材料主要依靠大量的防护性能测试,依据材料的防 护性能值作为评价材料隔热性能好坏的标准。其中 许多实验的测试都是以高温作业环境为基础,但这 类环境条件难以重复,这无疑加大了开发成本,浪费 了资源,因而有必要建立火灾应急防护服装的热设 计模型,从服装防护人体皮肤烧伤的热应力角度,经 济而迅速地分析防护服装的防护程度和预期性能, 为应急防护服的热设计提供理论依据。从2 0 世纪 8 0 年代后期开始
12、,研究人员开始着手研发高温或火 灾环境中热防护服热性能的数学模型。1 。这些模 收稿日期:2 0 0 8 0 4 0 6修回日期:2 0 0 8 0 9 2 2 作者简介:朱方龙( 1 9 7 9 一) ,男,副教授,博士。主要研究领域包括热防护服热防护性能测试与数值传热模型、应急救援个体安 全防护技术与装备开发。E m a i l :p i g z h u 7 9 7 9 1 6 3 t o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第4 期朱方龙
13、等:火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟 。1 0 7 型基于平面一维传热机制,即假定人体皮肤和服装 是半无限平板物体,建立了直角坐标系下的“织物一 微小空气层一皮肤”综合传热模型,但是人体躯干并 不是一个理想的平面体,而是近似的圆柱体形状,需 要考虑圆筒形织物受热收缩效应。另外,由于服装 本身有一定的厚度,导致一维坐标与圆柱坐标系下 的模型方程不能划等号,因此,需根据人体体型建立 相应的热防护服传热模型方程。 本文从穿着服装的人体体征出发,建立了模拟 火灾环境下的应急救援防护服一维径向传热模型, 并运用有限差分法对模型进行了数值模拟计算,将 织物表面温度模拟计算结果与实验值进行比较。在 模型
14、结果的基础上分析了人体圆柱体形状对服装防 护人体烧伤性能的影响,为个体防护装备的热设计 提供理论基础。 1 数学模型 1 1 模型描述 高温环境下热量在防护面料层表面及内部的传 递涉及到传导、对流和辐射3 个过程,各个过程的关 联性取决于其局部条件,而从热源传到防护服表层 的热量转移方式影响到防护服的热防护性能。本文 主要研究火焰发出的辐射能量传递到防护服装的传 热模型,该过程与直接接触火焰的不同点在于无对 流换热发生,也是模型现阶段的热点。 要正确模拟“防护服装一皮肤”系统的传热,必须 假定占人体大部分外表面积的躯干和四肢近似为圆 柱体,为了使模型更接近实际情形,本文将人体假定 为沿径向一维
15、传热的圆柱体。图1 是覆盖了织物的 圆柱体系统计算模型截面示意图。其中被阻燃织物 围覆的皮肤模拟器用右斜划线表示。 1 2 模型假设 为了简化问题,认为圆柱体内的传热是一维径 向传递,并作以下假设:1 ) 织物为辐射灰体,其质量 输运传递可忽略不计;2 ) 假设入射到织物表面的热 流量不随时间变化,为恒定值;3 ) 对流换热仅发生在 织物的表面,而依据织物结构及热辐射射线波长的 分布特征,其辐射热流量能够渗透到面料内部一定 深度;4 ) 织物面料的热属性与温度构成某种函数关 系;5 ) 假定人体体核温度保持3 7 恒温。 1 3 织物模型 根据以上假设,可以得到火灾环境下应急服装 面料的一维径
16、向能量守恒方程H J : 注:口一一辐射热k W m 2 ;r 一织物外径,m ;r d 一织物内半径, m ;r 。一皮肤模拟器外半径,I n ;“一皮肤模拟器内半径,m ; q 。一对流热,k W m 2 ;q , i 一、g 酬一织物与皮肤之间的对流、辐 射热,k W m 2 ;r 一辐射源内径,m 。 图1 “防护服一空气层皮肤”系统圆筒形模型图 F i g 1 S c h e m a t i cf o r ”p r o t e c t i v ef a b r i c s - a i rl a y e r o s k i n ” c y l i n d e rs y s t e m
17、l D 讪( r ) C r a b ( r 瓦3 T = 蓦( ur ) ( 箬) ) + 半薯一删加山- r d ) ) ( 1 ) 式中:r 为织物温度,;D 油为防护面料的当量密 度,k g m 3 ;A 砧为防护面料的导热系数,W ( m ) ; C r a b 为防护面料的比热容,J ,( k g ) ;它们的值都随 织物温度的改变而改变;y 址是织物消光系数。因 此,式( 1 ) 中) ,讪g 捌e x p ( y 铀( r r a ) ) 表示渗透到 织物内部的辐射热流量,其中y 曲可由织物透过率 r 址得到;r 。是织物的内半径,m ;L 铀是织物的厚度, m 。 由于人体实
18、际穿着服装时存在衣下空气层,因 此,模拟时在织物与皮肤之间应设置一微小空气层, 空气层内的换热方式主要以对流和辐射传热为主。 静止空气的隔热值随着厚度增加而增加,但增加到 一定厚度,空气产生对流运动,其隔热值不再增加, 反而减小。与常温环境不同,高温、火灾状态微小空 气层的辐射换热也是一种重要的传热方式。 织物外层受热边界条件为 2 ( r ) 箬+ 丛警业d v 箬:g 训 ( 2 ) 式中:d 秽是单位体积;B d 是织物外表面的面积,m 2 ; 假定圆柱体的长度为1m 。 织物与皮肤模拟器界面的边界条件为 2 矾u r ) 箬+ 丛警盟d 移警: 9 i + g j 。 d ( 3 )
19、万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 0 8 纺织学报第3 0 卷 式中:q 。和q 。刊分别为织物与皮肤模拟器之间的 对流与辐射换热量;B 。为织物内表面面积,m 2 。 g 。;一和g 。州的计算方法参见文献 5 。 根据织物多孑L 介质的分形相似性原理,热防护 织物的热属性参数( 导热系数、比热) 与其分形维数、 体积分数及温度有关,与温度函数的计算公式参见 文献 6 。 1 4 皮肤传热方程 拟采用P e n n e s 方法对人体皮肤传热进
20、行模拟, 其传热方程形式“ 3 为 ”,警= V V r ) “了1 警+ P bc D b 叫b ( t r ) ( 4 ) 式中:P 。为皮肤的密度,k g m 3 ;c 。为皮肤的比热容, J ( k g ) ;A 。为皮肤的导热系数,W ( m ) ;P 。为 血液的密度,k g m 3 ;c p b 为血液的比热容,J ( k g ) ; A 。为血液的导热系数,W ( m ) ;叫。为血流灌注 率,其值为0 0 0 12 5m 3 ,( s m 3 ) 。模型方程的内边界 条件设定为人体内核恒定温度3 7 ,初始条件则为 皮肤外、内表面初始温度值之间的线性分布( 3 4 3 7 )
21、 。 热防护服装瞬间被辐射源加热,其传热过程属 于非稳态传热,即服装面料元素上的温度随时间变 化而变化。通过在整个求解面料区域内建立有限数 目的网格,将温度场各微分方程变换为节点方程,运 用差分完全隐式格式求得各网格单元节点的温 度哺。9 1 。由于微分方程中有辐射吸收这一非线性 项,故采用了高斯一塞德尔点对点迭代法将非线性消 除,求解的过程结合使用松弛法。 2实验部分 2 1实验装置 为了研究人体的圆柱几何形状对防护服面料热 防护性能的影响,采用应急救援服装热防护性能圆 筒测试仪( 如图2 所示) 进行验证,装置具体结构及 细节描述见参考文献 1 0 。整个装置由热源、织物 试样和人体皮肤模
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