熱防護性能測試初步解析

熱防護是指對在高溫條件下工作的人體進(jìn)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(lái)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(yè)要求職工工作中須穿著(zhù)防護裝，以防高溫輻射。即使在穿著(zhù)防護裝的情況下，在*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裝和織物的熱防護性能進(jìn)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(xué)院的熱屬性評價(jià)裝置，用來(lái)評價(jià)各種熱危險環(huán)境下織物或服裝的熱防護性能。從國外所述文獻來(lái)看，定量的評價(jià)熱防護裝的熱防護性能過(guò)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(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(lái)說(shuō)，Pennes皮膚傳熱方程的本身就存在著(zhù)一些問(wèn)題，尤其是在瞬間的高溫傳熱過(guò)程中。實(shí)際上，該模型是在基于經(jīng)典的Fourier熱流定律基礎上建立起來(lái)的，這也就是隱含著(zhù)這樣的一個(gè)假設，即認為介質(zhì)中的熱傳播速度無(wú)限大，這就相當于只要介質(zhì)內某處溫度發(fā)生變化，就會(huì )瞬間引起另一點(diǎn)的溫度變化，然而對于像人體皮膚這類(lèi)生物組織來(lái)說(shuō)，熱量從一點(diǎn)傳輸到近一點(diǎn)需要對熱擾動(dòng)響應作出反映的松弛時(shí)間丁H3。因此，在評價(jià)熱防護熱防護性能時(shí)，需要考慮到皮膚組織傳熱速度有限的因素，以使燒傷預測值更接近實(shí)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(lái)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(lái)評價(jià)織物的熱性能。首先，通過(guò)模擬皮膚器表面的熱電偶測量模擬器的溫度，通過(guò)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(shí)間；同時(shí)還比較了運用Pennes皮膚模型與TWMBT模型預測皮膚燒傷時(shí)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(shí)，非穩態(tài)下的一維熱流方程，即非Fourier公式的線(xiàn)性展開(kāi)：

當7-珈，式(3)即轉化為著(zhù)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(shí)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(zhì)。
實(shí)際傳熱過(guò)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，根據式(3)，那么皮膚組織上的穩態(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。數值解方程時(shí)，假定皮膚表面和體核的溫度是一個(gè)常數，分別為32.5°C和37°C。通過(guò)在整個(gè)求解皮膚區域內建立有限數目的網(wǎng)格，將溫度場(chǎng)各微分方程變換為節點(diǎn)方程，運用*隱式差分格式，編寫(xiě)VB程序計算節點(diǎn)溫度和熱流量值。