第三節(jié) 熱防護(hù)服傳熱模型回顧

早期研究者已對防護(hù)或服裝暴露于強熱流下的熱量傳遞進(jìn)行數(shù)值模擬分析，各模型預(yù)測的傳熱機制及邊界條件的假設(shè)都不一致。目前最常用的熱防護(hù)服或織物的傳熱模型主要有托爾維（Torvi）模型、吉布森（Gibson）模型和梅爾（Mell）的消防服裝傳熱模型。

一、托爾維（Torvi）“織物―空氣層―銅片熱流計”系統(tǒng)傳熱模型

托爾維（Torvi）對火場環(huán)境下“織物―空氣層―銅片熱流計”的系統(tǒng)傳熱模型進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在該領(lǐng)域做出了顯著的貢獻(xiàn)，以至于后續(xù)研究者所建立的關(guān)于消防服或織物傳熱模型都是建立在該模型理論研究基礎(chǔ)之上。1997年，托爾維（Torvi）研究了薄型纖維質(zhì)物質(zhì)在強熱流環(huán)境下傳熱特性，并針對于ASTM D-4108所描述的測試方法和裝置建立了“織物―空氣層―銅片熱流計”系統(tǒng)傳熱模型，該模型僅涉及水平封閉有限空間傳熱，即織物與銅片熱流計之間為水平空氣夾層傳熱，但它綜合考慮了火源與織物、織物與熱流計之間的對流與輻射耦合換熱，而且在織物傳熱模型中引入了織物的高溫?zé)峤到庾兓a(chǎn)生相變潛熱（內(nèi)熱源）一項。由于托爾維（Torvi）主要針對于薄型單層織物建立了傳熱模型，因此沒有考慮織物內(nèi)部對流換熱因素，從而還不能運用于多層或者厚型織物傳熱，另外，該模型沒有考慮水分對織物傳熱的影響。

托爾維（Torvi）模型將織物外表面參與輻射換熱分為三個部分：織物和燃燒氣體之間輻射換熱、織物與外界環(huán)境輻射換熱以及織物與燃燒器輻射換熱。因此，達(dá)到織物表面的輻射能量：

式中：σ——史蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；

ε_g、ε_f和ε_b——分別是燃燒氣體、織物和燃燒器的輻射系數(shù)；

T_g、T_f、T_a和T_b——分別是燃燒氣體、織物的外表面、外界環(huán)境空氣及燃燒氣體的溫度；

F_a和F_b——織物與外界環(huán)境空氣及織物與燃燒器的角系數(shù)；

A_f和A_b——分別是織物和燃燒器表面積。

而織物與熱流計之間的輻射換熱量為：

式中：T_s、ε_s和A_s——分別是熱流傳感器的溫度、輻射系數(shù)和表面積；

F_s——織物與熱流計之間的角系數(shù)。

二、吉布森（Gibson）熱濕傳遞多相模型

1994年，吉布森（Gibson）根據(jù)惠特克（Whitaker）的多孔介質(zhì)熱濕傳輸耦合理論，提出了紡織服裝材料的熱濕傳遞模型。他把含濕織物認(rèn)為是一個由固體（聚合物等）吸附凝結(jié)水、液態(tài)水和氣態(tài)水組成的三相結(jié)構(gòu)體，如圖1-15所示。

圖1-15 多孔介質(zhì)三相結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)質(zhì)量守恒、能量守恒及動量守恒定律，對傳熱、傳質(zhì)（液相、氣相）現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，建立起能夠合理反映各種不同結(jié)構(gòu)相織物溫度場，濕分濃度場及氣相總壓場變化規(guī)律的三場機制模型。吉布森（Gibson）基于纖維、空氣和水分組成的三維區(qū)域?qū)w維集合體進(jìn)行了濕分分布模擬計算，并考慮了各相傳導(dǎo)熱傳輸，氣、液相對流換熱及水分遷移對服裝材料熱濕傳遞的影響，能量守恒方程式可表達(dá)如下：

式中：〈〉——所有相的單位體積；

ν——表示流速；

Δh_νap——液態(tài)水的蒸發(fā)熱；

K_eff——溫度傳感器當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)；

m_lν、m_sl和m_sν——分別為液體從固體上解吸附、氣體從固體上解吸附以及液體蒸發(fā)質(zhì)量流量。

三、梅爾（Mell）消防服傳熱模型

2000年，美國馬里蘭州蓋瑟斯堡市國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的威廉·E·梅爾研究了模擬轟燃前火災(zāi)的輻射環(huán)境，即到達(dá)服裝外層的輻射能量為2.5kW/m²的多層消防服裝傳熱模型。與托爾維模型相似的是，該模型也考慮到了服裝材料吸收輻射衰減特征。同時沒有考慮水分的影響，假設(shè)服裝外層或內(nèi)層沒有達(dá)到足以使織物熔化或發(fā)生熱降解的溫度，服裝假定為平面幾何形狀，熱在此平面系統(tǒng)內(nèi)的傳遞是一維的，對流傳熱假設(shè)只發(fā)生在防護(hù)服套裝的外邊界上，因此支配能量守恒方程式為：

在基爾霍夫定律的基礎(chǔ)上建立織物輻射方程，分析材料邊界的輻射通量，采用控制容積法離散方程式（1-14），獲得織物上溫度數(shù)值解。

四、其他模型

在熱防護(hù)服傳熱模型方面拓展比較成功是加拿大阿爾伯特大學(xué)的宋國文教授，他將單層或多層織物的一維平面有限差分模型運用于著裝的燃燒假人傳熱性能的仿真模擬，預(yù)測了人體皮膚二級燒傷所需時間，形成了人體不同部位的燒傷情況分布圖，這也是研究者首次將平面模型應(yīng)用于防護(hù)服整體熱防護(hù)性能的預(yù)測。其后，美國北卡州立大學(xué)的Chitrphiromsri等人在宋國文等人所建的干態(tài)模型（不含濕分）的基礎(chǔ)上，建立了火場高溫環(huán)境下多層織物一維耦合熱濕傳遞模型，獲得了服裝層內(nèi)溫度和濕度的分布情況，模擬預(yù)測了人體燒傷。