热防护服装热传递数学建模及参数决定反问题-潘斌.docx

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1、浙江理工大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期 年；月 / D 曰 _國 |丨 1 丨丨 | Y3194781 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 浙江理工大学 有权保留并向国 家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权 浙江理

2、工大学 可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ） 学位论文作者签名： 签字日期：年）月 日 导师签名： 签字日期： 摘要 运用数学或科学的方法研究热防护服装，旨在揭示热防护织物内部的热传递规律，为 热防护服装的研发提供科学参考 .热防护服装是应用最广泛的特种防护服装，目前关于更 多热防护服装的设计集中在热防护性能测定、建立热防护服装内部传热模型、发展测定热 防护性能的试验方法和实验装置和热防护服装舒适性评价等 .合理地评价热防护服装的热 防护性能对减少工作人员皮肤损伤具有重要

3、意义 .本文主要是对单层热防护服装热传递模 型进行介绍，此外，我们通过对空气层和皮肤层的热传递数学模型及烧伤 评价模型等的研 究，结合烧伤准则提出了相关反问题 . 主要内容如下： 第一章，介绍了热防护服装的研宄背景和意义、国内外的研究现状，并且对本文主要内 容和创新点进行了简要描述 . 第二章，介绍了热防护服装的热传递模型建立过程，研究了热防护织物在高温条件下 热传导和热辐射传热机制的作用，引入了用实验法确定的织物 Nomex 的热传导系数、单位 体积热容量系数随温度变化的经验公式，分析了织物与热源之间的热交换边界条件，最终 确立了热防护织物的热传递模型，并且给出了数值分析和计算，通过数值结果

4、和己有实验 论证的模型作比较，证明了提出模型的合理性 . 第三章，在前面提出的热防护服装的热传递数学模型的基础上，结合空气层模型和皮 肤模型，构成 热防护服装 -空气 -皮肤 完整的系统 .这部分完整的给出了织物和皮肤之间 空气层的模型以及表皮、真皮、皮下组织的热传递数学模型，并且对整个系统进行了数值 离散，给出了正问题的计算结果 . 第四章，对于热防护服装而言，设计反问题的目标就是在尽量减少甚至不产生热损伤 的情况下，决定系统的相关参数 .基于第三章 热防护服装 -空气层 -环境 系统正问题模 型的分析，我们将目标点设在基底层 (表皮 和真皮的接触面 )， 以保证基底层未达到二级烧伤 为目标

5、，我们给出了热防护服设计反问题的一种合理提法，并数值求解了相应的反问题 . 第五章，介绍了在反演一类抛物型方程初始值的过程中，我们为了求解极小化泛函，结 合伴随变分引入一种变形 TV 正则化的方法 .文中对极小目标泛函的存在唯一性和稳定性 进行了理论证明和分析，并通过具体算例说明了方法的有效性 “ 第六章，我们对本文的创新点等进行了总结，并提出一些可继续研究的方向 . 关键词：热传递模型；安全性；设计反问题 ;热防护服 ;变形 TV 正则化 Abstract The design of the thermal protective clothing aims to get insight la

6、w of thermodynam-ics within textiles by mathematical methods, which could provide theoretical support. The thermal protective clothing is widely-used functional clothing. At present, the research of thermal protective clothing design focuses on thermal protective performance measurement, mathematica

7、l modeling of heat transfer within thermal protective clothing, and the devel-opment of method and device about testing the thermal protective performance, evaluation of the thermal protective clothing performance and so on. It is important to give reasonable evaluation of the thermal protective per

8、formance, which could reduce the thermal damage on the skin. In this article, we mainly talk about the heat transfer model about single layer of fabric. Moreover, after studying the heat transfer model of air gap and skin, we present the corresponding inverse problems according to thermal injury cri

9、terion. The main contents are concluded as follows: In chapter 1, we introduce the background and significance of studying thermal protective clothing. The results of previous research and the content of this paper are briefly described. In chapter 2, we introduce the process of mathematical modelin

10、g of heat transfer with-in thermal protective clothing, we analysis the heat conduction and radiation mechanism of thermal protective clothing. The thermal conductivity and the specific heat of Nomex are changing with temperature? according to these, empirical equations for describing the change are

11、 deduced, we also analysis the boundary conditions between the fabric and heat source. Based on the analysis above, we present the heat transfer model of thermal protective clothing. Numerical simulation and calculation are given, the results have compared with certificated model proposed by Torvi,

12、which show the effectiveness of the proposed model. In chapter 3, considering the mathematical modeling of heat transfer within thermal protective clothing3 we combine it with air gap and the skin?s heat transfer model, forming a complete uThermal protective clothing - Air ga,p- Skin“ system. The ef

13、fect of the air gap model between thermal protective clothing and the skin in heat transfer is studied numerically. Moreover, mathematical modeling of heat transfer within epidermis, dermis and subcutaneous tissue are also analyzed. At last, we give an initial numerical result, of the heat transfer

14、system. In chapter 4, for the design of thermal protective clothing, the aim of inverse problems 万方数据 of parameters determination is to minimize or make no damage on the skin, we focus on the analysis of the system Thermal protective clothing - Air gap- Skin?, , the basal layer (the contact surface

15、of the epidermis and the dermis) is the target we focused on, which should not reach the second degree damage. Based on this, we design a reasonable formulation of inverse problem. Some numerical results of inverse problems are given. In chapter 5, we introduce a TV-like algorithm to recover the ini

16、tial value of a parabolic equation. In order to solve the minimization function, we introduce the variational adjoint method combined with TV-like regularization. The existence, uniqueness and stability estimate for the regularization problem is analyzed in this part. We also give some examples to s

17、how the effectiveness of the method. In chapter 6, as a final chapter, we conclude the innovation in the dissertation and present, some inspiring research topics in the near future. Keywords: Heat transfer model; Thermal safety; Inverse problems; Thermal protective clothing: TV-Like regularization 文

18、中符号说明 FL(i， t):向左辐射通量 F_R(O;, t):向右辖射通量 （ fcj . m-2 . s-。； T :时间在 T时刻； T(x,t) :U TsW :是皮肤表面的温度 （ C7); rep:表皮温度(C ; c :织物体积热容 （ fc J . m_3K); e :织物的孔隙率； : 密度 . m_3); :为由外部热源到织物间产生的对流热通量卜 “ m_2); :为织物通过空气层对皮肤产生的辐射热通量 ； :为织物的热流对皮肤等产生的热传导热量和对流热 (w “ s/ai:织物背部的放射率 （ ; - sr-1 . m-2); es :空气的放射率 (to “ sr-1

19、 “ m_2); eep :真皮表面的放射率 （ w . sr_1 _ m一 2); K :空气层的吸收系数； A:a :空气的热传导系数 （ fcJ “ m-3 “ K- ； % :织物的热传导系数 （ fcJ m_3. A-1); /ce“(T):为有效导热系数 . m_3 .尺 -1); T(M) U=h :在位置 A的温度； r(x， |.T=i2 :在位置 L2的温度； U=i3 :在位置 L3的温度 ; T/ab:是织物靠近微气候区一端的温度； rsM:皮肤表面的温度； :皮肤表层热暴露的表面积； :织物热暴露的表面积； F/asfc,n :织物向外辐射的辐射角系数； Ac 啊：为

20、传热系数 （ m2 . s_1); :为织物向外辐射的辐射角系数； 叫 :皮下组织内血液灌流速率 （ m3/(s . m3); P:频率因子 （ S-1 ; 五 :皮肤的活化能 （ J/TO G ; i?:摩尔常数（ J/moZ. A:; (pCiOsfcin :皮肤组织的体积热容（ fcsfcm :皮肤的热传导率 （ fcj . m-3 “ if-1); rari:血管动脉温度，即 37C ; :达到一级烧伤未达二级烧伤的最大烧伤程度 ; :规定的烧伤时间 s ; 下标： e/ :有效系数； M :织物； skin :皮肤 ;- air :微气候区； amd :热传导； COJTO :热对流

21、； md :福射； 目录 摘要 i Abstract ii 文中符号说明 iv 1 绪论 1 1.1 热防护服装的研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 本文主要研宄成果 . 3 2 高温环境下热防护服装的热传递模型 ， 4 2.1 热传递的两种主要表现形式 . 4 2.1.1 热传导 . 4 2.1.2 热辐射 . 4 2.2 热防护服装织物层的热传递数学模型 . 5 2.3 织物模型的数值算法 . 8 2.4 正问题模型的数值结果以及模型验证 . 1 2.4.1 Torvi的热防护服装模型 . 10 2.4.2 模型计算中的物理参数 . 10 2.4.3 本文模型和 To

22、rvi模型的数值结果比较 . 11 2.4.4 结论 . 15 3 热防护服装 一 空气层一皮肤 系统的热传递模型 16 3.1 热防护服装的传热模型 (DPI) . 16 3.2 织物层和皮肤层之间空气层的热传递模型 (DP2) . 16 3.3 表皮中的热传递方程 (DP3) . 18 3.4 真皮中的热传递方程 (DP4) . 18 3.5 皮下组织的热传递方程 (DP5) . 18 3.6 热防护服装 -空气层 -皮肤 系统模型的数值离散及结果 . 19 4 热防护服装的设计反问题 22 4.1 人体皮肤热安全性的要求 . 22 4.1.1 皮肤烧伤分类 . 22 4.1.2 皮肤烧伤

23、程度预测 . 22 4.2 决定空气层厚度的反问题 (IPATD) . 23 4.2.1 数值结果 . 24 4.3 决定热传导率的反问题 (IPTTD) . 25 4.3.1 数值结果 . 26 5 变形 TV 正则化方法在计算反问题中的应用 27 5.1 变形 TV 正则化方法中初始值的确定 . 27 5.1.1 反问题的提出 -考虑一类非线性抛物型方程 . 27 5.1.2 变形 TV 正则化泛函 . 28 5.2 伴随变分方法 . 29 5.3 极小元存在的稳定性和唯一性 . 31 5.3.1 存在唯一性 . 31 5.3.2 稳定性 . 32 5.4 数值算法和算例 . 35 6 总

24、结和展望 40 6.1 内容总结 . 40 6.2 创新点 . 40 6.3 展望 . 41 参 考文献 42 攻读硕士学位期间发表和完成的论文目录 46 致谢 47 第一章绪论 本章，首先介绍关于热防护服装的研究背景以及意义 .紧接着，将介绍当前关于热防护 服装的研宄现状以及进展 .最后将阐述本文的一些主要研究成果以及创新点等 . 1.1 热防护服装的研宄背景 服装是人类在从事物质生产活动最基本的保证之一，服装作为人与环境的中间体，充 当着人体第二皮肤的作用 .当人们从事的生 产活动随着时代发展变得愈发复杂和多变的时 候，针对不同环境下对服装性能的要求也变得愈发提高 . 热防护功能就是一项重

25、要且被持续关注功能，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 .强烈的热湿传递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性能的同时，更具备对人体在高温下进行 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积 聚，以保护皮肤不被烧伤或灼伤 .因此防护服除了要求有

26、较好的阻燃性，而且要求具有较高 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，造成了不必要的资源浪费 “ 因此，建立高温环境 下热防护服装的热设计模型， 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 . 1.2 国内外研究现状 (1) 热防护服装经典模型 美国、欧洲等西方发达国家从上世纪五十年代起就开始热防护服装的研宄，现在己经 制定了一系列先进和完善的热防护服装测试标准和方法，同时在热防护服装隔热性能和舒 适性能研宄方面取得了许多成果 .从 20 世纪 80 年代后期开始，研宄热源开始研究高温或者 火灾环境下关于热防护服装热性能的数学模型 .从是否考虑湿传递的角度来说，热防护服 装的数学模型主要分为干燥模型和热湿耦合模型 “ 干燥模型没 有考虑织物内部的水分 (包括汗水和水蒸气等 )，主要研究外部火焰的辐射 热量，织物相关物理学性质，织物层与层之间和织物与皮肤之间微气候区的厚度等对防护 性能的影响 .在强辐射和长时间低辐射暴露的环境下， TorviW提出了热防护服外层织物的