熱防護性能測試初步解析

更新時間：2020-12-31

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熱防護是指對在高溫條件下工作的人體進行安全保護，從而避免人體受到高溫傷害的各種保護服裝，它主要用來減少熱在人體皮膚上的積聚，從而保護皮膚不被燒傷或灼傷。因此，許多安全防護行業要求職工工作中須穿著防護裝，以防高溫輻射。即使在穿著防護裝的情況下，在*溫環境中人體也有可能被高溫灼傷皮膚，因此，很多研究者就熱防護裝和織物的熱防護性能進行了大量的研究。
目前已研制出小規模測試、火人測試及美國伍斯特軍事學院的熱屬性評價裝置，用來評價各種熱危險環境下織物或服裝的熱防護性能。從國外所述文獻來看，定量的評價熱防護裝的熱防護性能過程中，需要運用皮膚傳熱模型，并結合Henriques皮膚燒傷方程，才能得到人體皮膚達到二級燒傷所需時間t，但是所有的皮膚傳熱模型都是基于如下的Pennes傳熱方程建立的：

從物理學與生理學來說，Pennes皮膚傳熱方程的本身就存在著一些問題，尤其是在瞬間的高溫傳熱過程中。實際上，該模型是在基于經典的Fourier熱流定律基礎上建立起來的，這也就是隱含著這樣的一個假設，即認為介質中的熱傳播速度無限大，這就相當于只要介質內某處溫度發生變化，就會瞬間引起另一點的溫度變化，然而對于像人體皮膚這類生物組織來說，熱量從一點傳輸到近一點需要對熱擾動響應作出反映的松弛時間丁H3。因此，在評價熱防護熱防護性能時，需要考慮到皮膚組織傳熱速度有限的因素，以使燒傷預測值更接近實際皮膚燒傷結果。
一種新型皮膚傳熱方程，即考慮了熱量在皮膚傳遞速度有限的熱波皮膚模型來測量皮膚的燒傷度，從而以此熱防護用織物層下皮膚燒傷級別來評價織物的熱性能。首先，通過模擬皮膚器表面的熱電偶測量模擬器的溫度，通過將溫度值代入Diller法則公式決定皮膚模擬器吸收的熱量值；然后，再將得到的熱量值作為熱波皮膚模型的邊界條件預測皮膚基面溫度，結合Henriques皮膚燒傷模型得到皮膚二級燒傷的時間；同時還比較了運用Pennes皮膚模型與TWMBT模型預測皮膚燒傷時間與皮膚溫度變化的結果。
熱波皮膚模型
根據傅立葉熱流定律，并考慮皮膚生物組織傳熱速度有限的物理事實，非穩態下的一維熱流方程，即非Fourier公式的線性展開：

當7-珈，式(3)即轉化為著名的Pennes生物傳熱方程。由于生物組織中的熱傳播速度遠較其他材料(如金屬、液體等)為小，其熱松弛時間遠大于金屬，因而考慮了熱有限傳播速度的熱波模型更合理，更能反映生物傳熱的本質。
實際傳熱過程中，皮膚組織上傳熱實際上主要發生在垂直皮膚表面一維方向，并且假定容積發熱源為0，根據式(3)，那么皮膚組織上的穩態溫度值t(戈，0)分布如下：

初始條件(t=0)：
0(z)=0(9)
式中，t為皮膚受熱時間。數值解方程時，假定皮膚表面和體核的溫度是一個常數，分別為32.5°C和37°C。通過在整個求解皮膚區域內建立有限數目的網格，將溫度場各微分方程變換為節點方程，運用*隱式差分格式，編寫VB程序計算節點溫度和熱流量值。