熱防護(hù)性能測(cè)試初步解析

熱防護(hù)是指對(duì)在高溫條件下工作的人體進(jìn)行安全保護(hù)，從而避免人體受到高溫傷害的各種保護(hù)服裝，它主要用來減少熱在人體皮膚上的積聚，從而保護(hù)皮膚不被燒傷或灼傷。因此，許多安全防護(hù)行業(yè)要求職工工作中須穿著防護(hù)裝，以防高溫輻射。即使在穿著防護(hù)裝的情況下，在極高溫環(huán)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(hù)裝和織物的熱防護(hù)性能進(jìn)行了大量的研究。
目前已研制出小規(guī)模測(cè)試、火人測(cè)試及美國伍斯特軍事學(xué)院的熱屬性評(píng)價(jià)裝置，用來評(píng)價(jià)各種熱危險(xiǎn)環(huán)境下織物或服裝的熱防護(hù)性能。從國外所述文獻(xiàn)來看，定量的評(píng)價(jià)熱防護(hù)裝的熱防護(hù)性能過程中，需要運(yùn)用皮膚傳熱模型，并結(jié)合Henriques皮膚燒傷方程，才能得到人體皮膚達(dá)到二級(jí)燒傷所需時(shí)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(xué)與生理學(xué)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(shí)際上，該模型是在基于經(jīng)典的Fourier熱流定律基礎(chǔ)上建立起來的，這也就是隱含著這樣的一個(gè)假設(shè)，即認(rèn)為介質(zhì)中的熱傳播速度無限大，這就相當(dāng)于只要介質(zhì)內(nèi)某處溫度發(fā)生變化，就會(huì)瞬間引起另一點(diǎn)的溫度變化，然而對(duì)于像人體皮膚這類生物組織來說，熱量從一點(diǎn)傳輸?shù)阶罱稽c(diǎn)需要對(duì)熱擾動(dòng)響應(yīng)作出反映的松弛時(shí)間丁H3。因此，在評(píng)價(jià)熱防護(hù)熱防護(hù)性能時(shí)，需要考慮到皮膚組織傳熱速度有限的因素，以使燒傷預(yù)測(cè)值更接近實(shí)際皮膚燒傷結(jié)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(cè)量皮膚的燒傷度，從而以此熱防護(hù)用織物層下皮膚燒傷級(jí)別來評(píng)價(jià)織物的熱性能。首先，通過模擬皮膚器表面的熱電偶測(cè)量模擬器的溫度，通過將溫度值代入Diller法則公式?jīng)Q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(yù)測(cè)皮膚基面溫度，結(jié)合Henriques皮膚燒傷模型得到皮膚二級(jí)燒傷的時(shí)間；同時(shí)還比較了運(yùn)用Pennes皮膚模型與TWMBT模型預(yù)測(cè)皮膚燒傷時(shí)間與皮膚溫度變化的結(jié)果。
熱波皮膚模型
根據(jù)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(shí)，非穩(wěn)態(tài)下的一維熱流方程，即非Fourier公式的線性展開：

當(dāng)7-珈，式(3)即轉(zhuǎn)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(yuǎn)較其他材料(如金屬、液體等)為小，其熱松弛時(shí)間遠(yuǎn)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(zhì)。
實(shí)際傳熱過程中，皮膚組織上傳熱實(shí)際上主要發(fā)生在垂直皮膚表面一維方向，并且假定容積發(fā)熱源為0，根據(jù)式(3)，那么皮膚組織上的穩(wěn)態(tài)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(shí)間。數(shù)值解方程時(shí)，假定皮膚表面和體核的溫度是一個(gè)常數(shù)，分別為32.5°C和37°C。通過在整個(gè)求解皮膚區(qū)域內(nèi)建立有限數(shù)目的網(wǎng)格，將溫度場(chǎng)各微分方程變換為節(jié)點(diǎn)方程，運(yùn)用完全隱式差分格式，編寫VB程序計(jì)算節(jié)點(diǎn)溫度和熱流量值。