基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型制造技术

本发明专利技术公开了一种基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型，其步骤包括：1.对问题建模进行模型分析、模型假设与符号说明；2.根据热传导流程图和傅里叶定理得到热量变化方程；3.确定高温作业专用服装各层温度变化方程。本发明专利技术根据傅里叶定律以及热扩散公式，可以得出各层温度的通项，其次借助于MATLAB多次拟合出各层的初始温度，代入到各温度通项式中，最后运用递归法推导出各层任一时刻的温度，得到专用服装的温度分布。

Analysis Model of Temperature Distribution of High Temperature Clothing Layers Based on Fourier Theorem

The present invention discloses an analysis model of temperature distribution in different layers of high temperature garment based on Fourier theorem. The steps include: 1. model analysis, model hypothesis and symbol description for problem modeling; 2. heat change equation is obtained according to heat conduction flow chart and Fourier theorem; 3. temperature change equation of each layer of high temperature garment is determined. According to Fourier's law and thermal diffusion formula, the general term of each layer's temperature can be obtained. Secondly, with the help of MATLAB, the initial temperature of each layer can be fitted many times and substituted into the general term of each layer's temperature. Finally, the temperature of each layer at any time can be deduced by recursive method, and the temperature distribution of special clothing can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型
本专利技术属于对高温作业专用服装各层温度评价分析模型，具体的说是一种基于傅里叶定理的高温作业专用服装各层温度分布分析模型。
技术介绍
在高温环境下工作时，人们需要穿着专用服装以避免灼伤。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意义。众多研究者对热防护服装设计及热防护性能问题进行了研究。潘斌对单层热防护服装热传递模型进行介绍，并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。戴政等人引入大面积防热结构的一维传热假设，依照航天器再入大气层的温度条件，建立了防热结构一维非稳态传热的物理模型和封闭的控制方程，使用差分方法求解方程，进行一维非稳态的传热分析，并采用商业有限元软件ABAQUS的传热分析进行验证.得到了航天器再入大气过程中多层防热结构的各层温度分布。田苗等人从模型的建立及验证2方面出发，主要对传热模型、皮肤烧伤预测模型和火场环境仿真等相关研究进行回顾，并对典型模型的发展过程、特点和不足进行归纳。朱方龙等人应用有限差分法对隔热防护织物的有效导热系数模型进行数值分析.通过数值求解传热方程，计算出织物的稳态有效导热系数，获得了织物纱线结构模型与Beer定律计算得出的辐射透过深度与辐射衰减程度关系有良好一致性的结论。苏云等人阐述了热防护性能测试中空气层的作用以及空气层热传递机制和空气层热传递模型的研究现状的基础上，提出不同条件下空气层传热模型建立的基本思路，并对未来消防服衣下空气层热传递机制的研究动向作出了预测。朱方龙建立纯火焰对流作用下消防服传热模型，分析火焰与服装织物外层之间的换热边界条件，运用实验法确定火焰换热系数经验式，研究衣下微气层传导对流传热特征。吴茜研究了平板织物保温性能测试仪的仪器结构，然后在此基础上自行研制了可时、动态显示热板散热功率、织物表面温度的织物热传递性能测试仪，结果显示，该测试仪与常规平板织物保温性能测试仪的测试结果相接近。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术存在的不足之处，充分利用傅里叶定理的热传导模拟能力和Matlab的数据综合分析与处理能力，提出一种基于傅里叶定理的高温作业专用服装各层温度分布分析模型，目的在于有效利用傅里叶定律以及热扩散公式，得出各层温度的通项，借助于MATLAB多次拟合出各层的初始温度，运用递归法推导出各层任一时刻的温度，得到专用服装的温度分布，该专利技术计算过程简便结果明确，便于快速实现对高温防护服性能分析。本专利技术采用如下技术方案：基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型，其特征在于，包括如下步骤：S1、对问题建模进行模型分析、模型假设与符号说明；S2、根据热传导流程图和傅里叶定理得到热量变化方程；S3、确定高温作业专用服装各层温度变化方程。更进一步地，所述步骤S1包括：S1-1、模型分析专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间还存在空隙，将此空隙记为IV层。S1-2、模型假设1)假设外界环境温度恒定，一直处于稳态；2)由于外界环境温度适中，故假设其不存在热对流及热辐射；3)假设所有热量都是垂直进入各层衣物，不会发散的杂乱传递；4)假设第IV层的空隙也是衣物的一部分；5)假设每一层的温度均匀分布；6)假设Ti(t)＝Ti([t])；S1-3、符号说明Q为总热量；Q吸i(i＝1,2,3,4)分别为第I、II、III、IV层吸收的热量；Q传i(i＝1,2,3,4)分别为第I、II、III、IV层传递的热量；Ti(i＝1,2,3,4,5)分别为第I、II、III、IV层及皮肤表层的温度；ρi(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层密度；ci(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层比热；λi(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层热传导率；di(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层厚度；Ti(t)表示第i层第t秒的平均温度；s表示衣物的表面积；为第i层到第i+1层的平均温度；ΔT5→i为第5层到第i层的温度差；Δt为单位时间；ΔQ为单位时间中热量的变化量。更进一步地，所述步骤S2包括：根据傅里叶定律对于任一层衣物的任一个时刻，其吸收的总热量Q，一部分被自己吸收消耗，而另一部分会通过热传导传递到下一层，所以在单位时间内得到一个变化量，即ΔQ＝ΔQ传1+ΔQ吸1，又由于每一层传递的工作相似，故总的变化过程如下：更进一步地，所述步骤S3包括：S3-1、防护服第一层内部温度从外界分别传到第I、II、III、IV层最后传到皮肤这一过程，根据傅里叶定律以及热传导公式，并且借助于MATLAB进行多次拟合，可以得到一个符合实际情况的初始温度：由式(2)则可以得到T2(t)；S3-2、防护服第二层内部温度利用同样的原理求解第二层的温度T3(t)：剔除第一层的传导过程，那么此时Q传1就相当于上一过程的Q：根据S3-1得到所有的T2(t)，再将T2(t)迭代到上式中，得到T3(t)；S3-3、防护服第三层内部温度将S3-2中得到的T3(t)迭代到上式中，得到第三层和第四层交界处的温度T4(t)，从而获得专用服装的温度分布。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1.根据傅里叶定律以及热扩散公式，可以得出各层温度的通项，其次借助于MATLAB多次拟合出各层的初始温度，代入到各温度通项式中，最后运用递归法推导出各层任一时刻的温度，得到专用服装的温度分布。模拟实验结果验证了方法的可行性。2.模型从物理实际出发，运用能量守恒，基于傅里叶方程和利用Matlab进行计算。所建立模型简单易懂，具有整体性和可观性，适合在生活实际中进行推广应用。附图说明图1是热量传导简化流程图；图2是温度分布图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。为了验证所提出的基于傅里叶定理的高温作业专用服装各层温度分布分析模型的有效性，将其应用于高温专业服装多层温度分析评价问题。专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间还存在空隙，将此空隙记为IV层。为了设计专用服装，需要将体内温度控制在37℃的假人放置在实验室的高温环境中，测量假人皮肤外侧的温度。为了降低研发成本、缩短研发周期，需要利用数学模型来确定假人皮肤外侧的温度变化情况。可借助于热传导的物理知识，以及傅里叶定律和热扩散方程，可得到每一层的温度分布变化函数。然后运用MATLAB进行多次拟合得到每一层的初始温度，根据温度的梯度变化，运用递归计算出每一层任一时刻的温度Ti(t)。具体实例分析步骤为：步骤1：模型分析、模型假设与符号说明步骤1.1模型分析专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间还存在空隙，将此空隙记为IV层。为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型，其特征在于，包括如下步骤：S1、对问题建模进行模型分析、模型假设与符号说明；S2、根据热传导流程图和傅里叶定理得到热量变化方程；S3、确定高温作业专用服装各层温度变化方程。

【技术特征摘要】
1.基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型，其特征在于，包括如下步骤：S1、对问题建模进行模型分析、模型假设与符号说明；S2、根据热传导流程图和傅里叶定理得到热量变化方程；S3、确定高温作业专用服装各层温度变化方程。2.根据权利要求1所述的基于傅里叶定理的高温作业服装各层温度分布分析模型，其特征在于，所述步骤S1包括：S1-1、模型分析专用服装通常由三层织物材料构成，记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间还存在空隙，将此空隙记为IV层。S1-2、模型假设1)假设外界环境温度恒定，一直处于稳态；2)由于外界环境温度适中，故假设其不存在热对流及热辐射；3)假设所有热量都是垂直进入各层衣物，不会发散的杂乱传递；4)假设第IV层的空隙也是衣物的一部分；5)假设每一层的温度均匀分布；6)假设Ti(t)＝Ti([t])；S1-3、符号说明Q为总热量；Q吸i(i＝1,2,3,4)分别为第I、II、III、IV层吸收的热量；Q传i(i＝1,2,3,4)分别为第I、II、III、IV层传递的热量；Ti(i＝1,2,3,4,5)分别为第I、II、III、IV层及皮肤表层的温度；ρi(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层密度；ci(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层比热；λi(i＝1,2,3,4)分别表示第I、II、III、IV层热传导率；di(i＝1,2,...

【专利技术属性】
技术研发人员：文传军，夏红卫，王聿澄，王岚婷，张媛媛，章琦，
申请(专利权)人：常州工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32