专用热防护服数学建模与最优设计开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着社会的发展,人民生活水平和工作环境不断改善,在消防、冶金、电子等行业的特殊环境中作业的职工穿着热防护服,以减少工伤事故和火灾造成的损失,已成为大家的共识和基本国策。因此,作为产业用纺织品的一个主要品种的热防护服的应用范围不断扩大,具有广阔的发展前景。

热防护服功能就是一项重要且被持续关注的功能,也是应用最为广泛的一类防护服。热防护服装加强热功能保护材料和服装的研究是国家安全发展和振兴纺织产业的重要举措之一。战场、反恐、消防、石油化工等行业的工作人员还在遭受高温液体和蒸汽等各种潜在热灾害的环境。强烈的热湿环境通过服装到达人体皮肤后,皮肤会产生严重的热损伤。热防护服是指在高温环境中穿用的、能够促使人体热量散发、防止热中暑、烧伤和灼伤等危害的个体防护服装。热防护服在拥有普通防护服的功能的同时,更具备人体在高温环境下进行安全防护的功能。热防护服的原理就是减缓热转移的速度,使热量在人体皮肤上的尽少聚集,以保护皮肤不被烧伤或灼伤。因此热防护服除了要求有较好的阻燃性,而且要求有更好的隔热性能。当前,对于热防护材料的防护性能评价主要是依靠大量的热防护性能的测试,通过材料的热防护性能值作为评价材料防护性能好坏的标准。大量的以高温作业环境为基础的实验测试,无法重复且耗费成本巨大,造成了不必要的浪费。因此,建立高温环境下热防护服的热设计模型,并且结合皮肤模型给出人体皮肤热损伤程度的评估,为热防护服装的设计提供理论依据显得十分必要。

美国、日本及欧洲的发达国家对防护服的研究和开发比较早,热防护服在许多行业中得到了广泛的应用。目前,他们已经定制实施了一系列先进和完善的热防护服产品标准和测试方法标准,可以较系统地设计、开发和生产各类热防护服,并较好地测试和评价热防护服的热防护性能。美国杜邦(dupont) 蒸汽防护服装美国杜邦公司于 1994 年开发了一种由 nomex织物,sontara 仿丝织物夹芯、kevlar /nomex 混纺织物以及蒸汽阻挡膜等多层材料复合而成的民用蒸汽防护服装。该套蒸汽防护服装可全部遮盖身体,头巾,围嘴很长,能遮住部,有利于护颈;手套袖筒较长,能覆盖袖口,有利于护腕;还安装有旋风冷却系统, 增加整套服装的穿着舒适性。该装备主要供发电厂蒸汽轮机工作人员、蒸汽管道检修人员和仪表安装人员穿着;日本于 2007 年 1 月 18 日公开了一种过热蒸汽防护面料和由该面料制成的过热防护服的专利jp20079380。该套服装能耐受 180℃过热蒸汽 ,防护时间可达 10min 以上。蒸汽防护复合面料由表面层、中间层和衬里层组成;为避免海军工作人员尤其是核潜艇工作人员意外暴露在热蒸汽中造成伤亡,法国在海军医学研究所建立了蒸汽实验室,通过搭建的一系列特殊试验设备,研究热蒸汽暴露对人的热生理影响,从而评价纺织品和防护服装的热蒸汽防护能力,以此来满足法国海军的蒸汽防护需求,保护法国海军工作人员免受意外蒸汽暴露造成的伤害。实验表明:①同种厚度情况下,不透汽织物比透汽织物能更有效地限制蒸汽的热传递;②材料越厚,热防护性能越好,但存在一个峰值。在织物里侧增加同样厚度的材料,不透汽织物复合材料的防护性能更好;③服装和织物的蒸汽防护性能存在一致性。具有一定厚度、多层配置、不透汽的服装能够提供理想的蒸汽防护;服装的松紧程度对热防护性能也有影响,适当的采用宽松式裁剪使服装和皮肤之间的空气层变厚,更利于蒸汽热防护;目前,我国对人体暴露于热蒸汽环境下的生理变化及对蒸汽灼伤后的医学处理研究较多,但对蒸汽防护服装的研究尚处于初级阶段。主要有海军医

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2. 研究的基本内容与方案

针对高温环境专用热防护服的设计,建立了热传导系统的数学模型,通过编程计算了假人皮肤外侧的温度分布以及各参数对温度的影响情况。首先将偏微分方程离散为线性方程,然后采用高斯—赛德尔迭代求解弱对角占优方程,保证了解的收敛性和稳定性。对于单层厚度和多层厚度的最优值求解问题,本文基于定性分析与试算相结合的原则,运用二分法与区间套结合,确定了所给温度要求下各层厚度的控制方法和最优策略,保证了求解的速度和精度控制。通过数学模型的建立来研究热放防护服,以达到最精确、最全面的研究,使热防护服的设计达到最优;根据经典的热传递模型以及课题组已有的研究成果, 我们提出了高温条件下热防护服装的热传递模型, 以描述高热环境下热防护服的热传递规律,并对所提出的模型, 给出了运用有限差分方法的数值模拟, 通过和经典的热防护服装的模型数值结果作比较验证其合理性;为了评估烧伤程度, 本文将热防护服织物, 空气层和皮肤内部的热传递模型结合起来,形成完整的热传递系统。基于该系统, 以避免热损伤为目标, 我们给出了反问题的一种合理的提法,探索了热防护服装下空气层和皮肤烧伤之间的关系。在工作时间一定的情况下,根据空气层的厚度去预测热防护服装的防护性能,并给出了相应的数值模拟;结合烧伤相关判定标准,本文利用改进的新模型来讨论达到各级烧伤的最长安全工作时间,及热防护服-空气层-皮肤系统中的织物厚度、空气层对热防护性能的影响,为预测火场安全工作的时间和提高热防护服装的性能提供理论依据。

3. 研究计划与安排

第1-4周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需的技术知识,并结合实际要求完成要求。确定方案,完成开题报告。

第5-8周:掌握热防护服传热的工作原理和特点。

第9-12周:研究数学物理方法并运用该方法进行计算与分析。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 姜启源, 谢金星, 叶俊. 数学模型[m]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

[2] 潘斌.热防护服装热传递数学建模及参数决定反问题[d].硕士学位论文.浙江理工大学.2017

[3] 卢琳珍.多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定[d].硕士学位论文.浙江理工大学.2017

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