应急热防护织物有效导热系数分形模型

运用分形理论对应急热防护织物的内部微结构进行分析研究,结果表明分形维数与纤维体积分数是影响热防护织物传热的2个重要参数。根据等效热阻法建立预测高温下热防护织物有效导热系数的分形模型,求出基于分形理论的热防护织物的有效导热系数表达式,所得理论结果与实验值保持良好的一致性,同时合理反映出高温热辐射在织物传热中的重要作用。     

织物-空气层-皮肤三维结构建模及其传热模拟

热防护服装是消防员面对火灾环境的重要屏障,为分析织物组织对其热防护能力的影响,构建了消防服外层阻燃织物的三维几何模型,并考虑实际着装状态建立“织物-空气层-皮肤”流固耦合传热模型。根据实验结果验证模型,并选取外界环境、织物组织结构及纱线导热系数进行参数研究,对比织物表面温度分布及真皮层热流密度、温度变化曲线。结果表明,该模型能较好地拟合实验结果,随着热暴露峰值温度的上升及纱线宽度的增大,纱线表面温度、真皮层热流密度、真皮层温度均上升。纱线的导热系数对真皮层温度影响较小。纱线宽度对真皮层温度的影响与热环境相关。有必要针对热暴露环境设计织物结构,在保障热防护性能的同时减小热防护服装质量,降低消防员热应激。     

新型防护织物热辐射系数测试仪

描述了一种能够测量高温对流辐射环境下防护织物辐射系数的测试仪,综合考虑了对流、辐射换热的耦合影响,采用数值分析方法计算对流换热量,建立了基于虚拟仪器技术的系统测控平台,着重解决了封闭空间内辐射对流联合传热下的对流传热系数不确定性问题。实验结果表明,该装置测试值符合实际要求,优于其它测试方法,特别适合于测量对流辐射热源共同作用下的织物热辐射系数。     

数值模拟在织物传热方面的研究进展

阐述织物的传热机理,并分别从梭织物与针织物传热模型的建立以及相应的计算方法方面综述近年来研究人员在这一领域做出的巨大贡献,指出今后织物热传递数值模拟研究的发展方向。结果表明,织物内部的传热过程在人类生活中起着非常重要的作用,通过数值模拟探究织物的传热机理可为新型热防护材料的开发及织物热性能的评估提供重要的理论基础,数值模拟在织物传热方面的研究技术对于探索织物热传递过程及热防护织物的设计优化,提高试验安全性等具有非常重要的意义。     

有机硅树脂涂层碳纤维织物传热过程的数值模拟

为探究有机硅树脂涂层碳纤维织物在高温热流烧蚀下的传热过程,文章根据涂层织物结构参数和碳纤维的交织规律,建立涂层织物的三维几何模型;基于有机硅树脂和碳纤维纱线的烧蚀机制,创建了有机硅树脂涂层碳纤维织物烧蚀过程的数值模型,对涂层织物的热传递过程进行数值模拟。结果表明:与显微镜图像对比,涂层织物三维几何模型很好地反映了其几何结构特点;数值模拟结果可直观显示不同时间点涂层织物上的温度分布情况,利用石英灯烧蚀实验对该模型进行验证,在0～135 s,每隔1 s计算1次模拟背温与实验背温的相对误差,最后计算相对误差平均值为9.47%,说明在高温下涂层碳纤维织物传热数值模型能反映其传热过程。     

火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟

 通过建立穿着于模拟人体的应急救援防护织物传热模型,研究模拟火灾环境下的服装传热特征。模拟人体肢体的圆柱体内核保持恒定温度37℃,模型考虑了织物吸收热辐射及热属性随温度变化的特性,运用有限差分完全隐式格式方法模拟计算了织物与人体皮肤的一维径向温度分布,将计算得到的温度值代入Henriques烧伤模型方程以预测皮肤达到二级烧伤所需的时间,其值与实验结果较为一致。研究结果表明,圆柱几何形状对天然阻燃高聚物纤维织物的热防护性能影响效果较为显著,所建立的模型为覆盖于圆柱体的多孔材料传热提供了系统的研究方法。     

消防服外层织物参数对组合面料热防护性能的影响

选择不同消防灭火服外层织物,将其与防水透气隔热层、舒适层组成的组合面料进行热防护值测试,分析消防灭火服外层织物基本参数与热防护性能之间的关系,研究消防灭火服外层织物结构、材料导热系数、热收缩率对其热防护性能的影响。结果表明：消防灭火服外层织物热防护性能与材料导热系数、遇热产生的气腔高度、表/里层经纬密度配置显著相关。在相同重量下,对热防护值要求较高的消防灭火服进行外层面料设计时,外层织物在组织结构上应采用双层结构,其表/里层经纬密度配比接近1.5∶1;在材料选用上,表层材料热收缩率应相对较大,里层材料热收缩率应较小且导热系数低。     

环境温度对纤维材料导热性能的影响

讨论了纤维材料的传热机理,分析了纤维材料的导热性能的测试指标和测试技术。探讨了环境温度对纤维材料导热性能的影响,阐述了在常温、较高温度、高温和低温环境下,纤维材料内部的热对流、热辐射和热传导机理及其所引起的导热系数的变化规律。     

消防服用轻质隔热薄膜的制备及性能研究

探讨消防服用轻质隔热薄膜的制备方法,并测试了其性能。采用成膜法,将气凝胶和微胶囊相变材料与多层织物有效结合。测试分析了气凝胶和微胶囊相变材料含量对薄膜热稳定性能、力学性能、透湿性能和导热系数的影响。结果表明:添加气凝胶和微胶囊相变材料后,薄膜能够耐高温分解,薄膜的力学性能和导热系数降低,透湿性能提高。认为:气凝胶和微胶囊相变材料共同作用对织物热防护性能具有一定协同增强效果,且可降低消防服质量和节约生产成本。     

不同温度环境下织物导热机理的探讨

采用热线法对几种高性能织物在-50℃~200℃温度范围内的导热系数进行了测试,探索其导热系数随温度变化的规律。采用最小二乘法对实验数据进行处理,分别拟合出效果良好的各织物导热系数关于温度的曲线。分析表明,温度在200℃以下,热线法测试方法下织物的热传递过程主要为热传导,织物内部热传导表现为声子导热和分子导热。在各温度段,各织物导热系数随温度变化的规律不尽相同,其导热系数显著受到纤维种类的影响。     

热防护服蓄热防护与放热危害双重特性的研究进展

为全面评价热防护服在热暴露阶段的蓄热防护作用以及在冷却阶段因蓄热释放对人体造成的热危害效应,介绍了防护服热蓄积产生的原因,阐述了现阶段防护服热蓄积的测试方法以及数值模拟研究现状;从服装因素、环境因素以及人体因素3个方面归纳了防护服在热暴露阶段蓄热特性的影响因素;并总结了织物基本物理性能、空气层配置、织物水分、织物受压等因素对冷却阶段防护织物放热危害特性的影响。最后提出：在未来的研究中应针对多元化的热灾害环境以及冷却环境开展热防护服蓄放热双重特性的基础研究,并基于热防护服蓄放热双重效应探究其最优的配伍设计。     

开放/封闭空气层对阻燃织物热防护性能的影响

为探究衣下空气层间的传热方式对阻燃织物外观性能和阻燃织物系统传热机制的影响,基于热防护性能(TPP) 实验装置,构建开放式和封闭式空气层以模拟实际着装时“服装-人体皮肤”的空间关系。利用彩色图像处理方法对比热暴露前后的织物外观和热收缩情况,从能量传递、TPP值和二级烧伤时间角度评估“织物-空气层”系统的传热特性和热防护性能。结果表明:空气层的介入会降低热传递效率,进而提升阻燃织物的热防护性能,但会加速织物老化,加剧织物热收缩;当打开空气层与周围环境热量交换的通路时,空气层间热量的流动路径变复杂,且织物的热防护性能进一步提升。     

Prediction of thermal skin burn based on the combined mathematical model of the skin and clothing

As the result of exposed to thermal radiation and fire exposure, skin burn or even worse injuries are very common for building occupants and fire fighters. To accurately predict their skin temperature and burn situation, an assessment method of the mathematical model is developed for various thermal radiation conditions. The combined mathematical model includes the heat and moisture transfer within the skin and clothing systems. It is validated with a good agreement with the previous experimental study. The effects of thermal radiation, air gap and moisture transfer on burn prediction were also studied. The results showed that the time to the second degree burn is affected by the heat flux level, gap size and moisture location. It is expected that the developed method can be used to evaluate the thermal protective performance of protective clothing during exposure to thermal hazards and provide appropriate information to clinical observation and decision-making for skin thermal injuries.     

蒸汽暴露条件对织物热防护性能的影响

为评价蒸汽压力、蒸汽与人体相对距离等条件对织物中热湿传递的作用规律,在蒸汽暴露条件下,测量不同蒸汽压力与喷射距离时织物的热防护性能,分析织物内储水量、蒸汽渗透量与热防护性能之间的关系,并探究蒸汽压力对储水量、渗透量的影响规律。结果表明:蒸汽暴露条件下,增大蒸汽压力与减少喷射距离能够降低织物的隔热性能,明显影响织物蒸汽热防护性能;织物透气性与皮肤二级烧伤时间呈显著负相关关系;另外,储水量、渗透量与蒸汽压力呈现正相关,且分别与织物的回潮率和透气性呈现正相关;降低水分吸收和减少蒸汽渗透是提高织物热防护性能的重要因素。     

形变状态下热防护织物的蓄放热双重特性

为了探究形变状态下热防护织物的防护机制,研发了形变状态下织物蓄放热特性测试仪,在此基础上对拉伸形变状态下6种热防护织物的蓄热防护性能和放热危害性能进行量化研究。结果表明:随着织物拉伸率的增加,织物在热暴露阶段的累计蓄热量降低,而皮肤得热显著提升,织物的热防护性能下降;当双层织物系统发生拉伸形变时,外层织物较其隔热层通常蓄积更多的热量,织物系统累计蓄热量的降低主要源于隔热层蓄热量下降;在冷却阶段,织物释放至皮肤的累计蓄热回放量随着其拉伸率的增加而逐渐降低,织物的蓄热回放效率逐渐增大。织物发生拉伸形变时,其累计蓄热回放量与累计蓄热量呈正比。     

非稳态自然对流换热系数计算方法及其在防护服隔热预报中的运用

为得到相对精确的热防护服非稳态隔热性能预测数值,基于传热系统的非稳态传热模型,在防护服材料外表面分别为恒温边界条件和Howard模型对流边界条件下,利用有限差分法分别计算了2种边界条件下模拟皮肤处温度的时程曲线,所得结果均与实验测量值差别较大。在细致分析传热过程的基础上,综合运用傅里叶定律、牛顿冷却定律、以及Howard模型对流边界条件,在线化假设下提出了一种自然对流换热系数计算方法,代入非稳态模型后利用有限差分法进行了求解,随着时间步长的加密,计算结果迅速向实验测量值收敛,当时间步长为0.001 s时,计算结果与测量结果误差小于0.1 ℃。     

热水侵入条件对织物防护性能的影响

产业工人在工作时可能会遭受高温热水的伤害,基于此对热水侵入条件下织物的传热规律进行了探讨。利用高温热水防护性能测试系统,通过正交试验对不同热水温度、侵入角度和侵入高度条件下11种织物进行测试,采用2级烧伤时间作为热水防护性能评价指标,分析了织物特性和热水侵入条件与织物热水防护性能之间的关系。结果表明:不同织物的热水防护性能存在差异,防水整理可以明显提高织物热水防护性能。织物不同位置的热水防护性能受热水侵入条件和织物特性的影响。水温是影响织物热水防护性能的最主要因素。织物上方的热水防护性能受热水侵入条件影响较大,织物中下方的热水防护性能受织物特性的影响较织物上方大。     

防火面料的反热辐射及隔热性能研究

在高温火场环境中,热辐射是造成消防员烧伤的主要原因,消防面料的反热辐射性能及隔热性能对保护消防员的生命安全至关重要。介绍了消防面料热传递的机理,分析了消防服反热辐射隔热面料的研究进展,提出了在强热辐射环境下面料的开发思路。认为防火面料外层可采用耐高温性能好的无机纤维作为基布,采用有高红外反射和吸收性能的材料对面料进行反热辐射处理;可采用纳米多孔隔热复合材料作隔热层。     

热防护服装热湿传递模型研究及发展趋势

 合理地评价热防护服装的热防护性能对减少消防员的皮肤烧伤具有重要的意义。本文主要回顾并评价了热防护服装的热湿传递模型国内外的研究现状,包括皮肤传热模型及其烧伤评价模型、单层或多层面料的一维和二维热湿传递以及整体服装的三维热湿传递模型等,并比较分析了这些模型的应用缺陷,预测了热防护服装热湿传递模型研究未来的发展趋势。热湿传递模型的研究不仅可以为热防护服装的使用提供科学的理论指导以减少皮肤烧伤或蒸汽烧伤,而且能够进一步推动服装热防护性能测试技术的发展,满足我国“安全发展”和“公共安全防治”的技术需要。