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摘 要： 高温作业专用服装是为了人们在高温下进行作业时避免受伤，使得作业可以安全顺利地开展。本文主要是对高温作业专用服装在高温环境下的温度分布和服装材料层最优厚度进行计算，来设计更高效更安全的高温作业专用服装。
关键词： 热传导、干燥热传递模型、热湿耦合模型、Matlab软件、Excel软件
【中图分类号】 TS941. 6 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）14-0191-01
一、问题背景
人们总避免不了在高温下进行作业，炎热的高温和产生的热辐射极易造成作业人员中暑、晕厥、灼伤等情况，因此高温作业专用服装就十分重要，如消防服、防爆服等。通常的专用服装一般由三层织物材料构成，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层，其中Ⅰ层与外界环境接触，Ⅲ层与皮肤之间存有空隙，将此空隙记为IV层。
为了设计此类专用服装，将一假人放置在高温环境的实验室中，并将其体内温度控制在37oC，测量假人皮肤外侧的温度。为降低研发费用、减短研发时间，请利用数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况，并解决以下问题：
（1）附件1中给出了专用服装材料的某些参数值，其中，Ⅱ层厚度为6 mm、Ⅳ层厚度为5 mm、在75oC环境温度下工作90分钟进行实验，测得假人皮肤外侧的温度（见附件2）。建立数学模型，算出温度的分布。
（2）在65oC的环境温度和Ⅳ层的厚度为5.5 mm的情况下，确定Ⅱ层的最优厚度，以保证在60分钟的工作时长时，假人皮肤外侧温度不大于47oC，且超过44oC的时间小于5分钟。
（3）在80环境温度的情况下，保证工作时长为30分钟时，假人皮肤外侧温度不大于47oC，且超过44oC的时间小于5分钟，由此确定Ⅱ层和Ⅳ层的最优厚度。
二、问题分析
问题一：建立高温作业专用服装温度的数学模型干燥热传递模型。【1】最终得到在假人皮肤外侧处的任意时刻的函数，通过数值算法，将附件一中的参数代入，运用matlab软件算出各时间点的温度值。
问题二：当外界环境温度为65oC、IV层的厚度为5.5 mm，工作时长达到60分钟时，假设假人皮肤外側温度超过47oC，或超过44oC的时间大于5分钟时，为安全临界点。采用Henriques积分作为判断准则.以此为标准来确定高温作业专用服装II层的最优厚度。
三、模型的建立与求解
3.1问题一模型的建立及求解
3.1.1 干燥热传递模型的假设。
在此模型中只考虑热传递，包括热辐射、热传导及外界高温环境的热对流现象，并假设处于环境为全干燥环境，即织物内部的水分（包括汗水和水蒸气等）均可忽略不计。
3.1.2 干燥热传递模型的建立。
高温作业专用服装由三层不同的防热材料组成，即Ⅰ、Ⅱ层和Ⅲ层。基于上述假设，后面两层可以近似看成只存在热传导。由此，三层织物的高温作业专用服装干燥热传递模型可以写成【2】：
3.2问题二的求解
3.2.1。
为了确定高温作业专用服装II层的最优厚度，我们采用Henriques积分【3】作为判断准则。当外界环境温度为65oC、IV层的厚度为5.5 mm，工作时长达到60分钟时，我们假设假人皮肤外侧温度超过47oC，或超过44oC的时间大于5分钟时，皮肤就发生热损伤了。为了防止超过皮肤的安全临界点，假人皮肤外侧的温度要代入下述积分：
下面求该目标函数的最大值点。
同样改写成离散形式
我们采用遗传算法，得出一个全局最优解求出的最大值9mm，即为第Ⅱ层的最优厚度。
参考文献
【1】 卢琳珍.多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定[A].北京： 科学出版社，2017
【2】 程建新.纺织材料热湿传递的数学模型研究[D].江理工大学硕士学位论文，2005
关键词： 热传导、干燥热传递模型、热湿耦合模型、Matlab软件、Excel软件
【中图分类号】 TS941. 6 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）14-0191-01
一、问题背景
人们总避免不了在高温下进行作业，炎热的高温和产生的热辐射极易造成作业人员中暑、晕厥、灼伤等情况，因此高温作业专用服装就十分重要，如消防服、防爆服等。通常的专用服装一般由三层织物材料构成，分别记为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层，其中Ⅰ层与外界环境接触，Ⅲ层与皮肤之间存有空隙，将此空隙记为IV层。
为了设计此类专用服装，将一假人放置在高温环境的实验室中，并将其体内温度控制在37oC，测量假人皮肤外侧的温度。为降低研发费用、减短研发时间，请利用数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况，并解决以下问题：
（1）附件1中给出了专用服装材料的某些参数值，其中，Ⅱ层厚度为6 mm、Ⅳ层厚度为5 mm、在75oC环境温度下工作90分钟进行实验，测得假人皮肤外侧的温度（见附件2）。建立数学模型，算出温度的分布。
（2）在65oC的环境温度和Ⅳ层的厚度为5.5 mm的情况下，确定Ⅱ层的最优厚度，以保证在60分钟的工作时长时，假人皮肤外侧温度不大于47oC，且超过44oC的时间小于5分钟。
（3）在80环境温度的情况下，保证工作时长为30分钟时，假人皮肤外侧温度不大于47oC，且超过44oC的时间小于5分钟，由此确定Ⅱ层和Ⅳ层的最优厚度。
二、问题分析
问题一：建立高温作业专用服装温度的数学模型干燥热传递模型。【1】最终得到在假人皮肤外侧处的任意时刻的函数，通过数值算法，将附件一中的参数代入，运用matlab软件算出各时间点的温度值。
问题二：当外界环境温度为65oC、IV层的厚度为5.5 mm，工作时长达到60分钟时，假设假人皮肤外側温度超过47oC，或超过44oC的时间大于5分钟时，为安全临界点。采用Henriques积分作为判断准则.以此为标准来确定高温作业专用服装II层的最优厚度。
三、模型的建立与求解
3.1问题一模型的建立及求解
3.1.1 干燥热传递模型的假设。
在此模型中只考虑热传递，包括热辐射、热传导及外界高温环境的热对流现象，并假设处于环境为全干燥环境，即织物内部的水分（包括汗水和水蒸气等）均可忽略不计。
3.1.2 干燥热传递模型的建立。
高温作业专用服装由三层不同的防热材料组成，即Ⅰ、Ⅱ层和Ⅲ层。基于上述假设，后面两层可以近似看成只存在热传导。由此，三层织物的高温作业专用服装干燥热传递模型可以写成【2】：
3.2问题二的求解
3.2.1。
为了确定高温作业专用服装II层的最优厚度，我们采用Henriques积分【3】作为判断准则。当外界环境温度为65oC、IV层的厚度为5.5 mm，工作时长达到60分钟时，我们假设假人皮肤外侧温度超过47oC，或超过44oC的时间大于5分钟时，皮肤就发生热损伤了。为了防止超过皮肤的安全临界点，假人皮肤外侧的温度要代入下述积分：
下面求该目标函数的最大值点。
同样改写成离散形式
我们采用遗传算法，得出一个全局最优解求出的最大值9mm，即为第Ⅱ层的最优厚度。
参考文献
【1】 卢琳珍.多层热防护服装的热传递模型及参数最优决定[A].北京： 科学出版社，2017
【2】 程建新.纺织材料热湿传递的数学模型研究[D].江理工大学硕士学位论文，2005