第三節 熱防護服傳熱模型回顧
早期研究者已對防護或服裝暴露于強熱流下的熱量傳遞進行數值模擬分析，各模型預測的傳熱機制及邊界條件的假設都不一致。目前最常用的熱防護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”系統傳熱模型
托爾維（Torvi）對火場環境下“織物―空氣層―銅片熱流計”的系統傳熱模型進行了系統的研究，在該領域做出了顯著的貢獻，以至于后續研究者所建立的關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之上。1997年，托爾維（Torvi）研究了薄型纖維質物質在強熱流環境下傳熱特性，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熱降解變化產生相變潛熱（內熱源）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、織物與外界環境輻射換熱以及織物與燃燒器輻射換熱。因此，達到織物表面的輻射能量：
式中：σ——史蒂芬-玻爾茲曼常數；
εg、εf和εb——分別是燃燒氣體、織物和燃燒器的輻射系數；
Tg、Tf、Ta和Tb——分別是燃燒氣體、織物的外表面、外界環境空氣及燃燒氣體的溫度；
Fa和Fb——織物與外界環境空氣及織物與燃燒器的角系數；
Af和Ab——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：Ts、εs和As——分別是熱流傳感器的溫度、輻射系數和表面積；
Fs——織物與熱流計之間的角系數。
二、吉布森（Gibson）熱濕傳遞多相模型
1994年，吉布森（Gibson）根據惠特克（Whitaker）的多孔介質熱濕傳輸耦合理論，提出了紡織服裝材料的熱濕傳遞模型。他把含濕織物認為是一個由固體（聚合物等）吸附凝結水、液態水和氣態水組成的三相結構體，如圖1-15所示。
圖1-15 多孔介質三相結構示意圖
根據質量守恒、能量守恒及動量守恒定律，對傳熱、傳質（液相、氣相）現象進行數學分析，建立起能夠合理反映各種不同結構相織物溫度場，濕分濃度場及氣相總壓場變化規律的三場機制模型。吉布森（Gibson）基于纖維、空氣和水分組成的三維區域對纖維集合體進行了濕分分布模擬計算，并考慮了各相傳導熱傳輸，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如下：
式中：〈〉——所有相的單位體積；
ν——表示流速；
Δhνap——液態水的蒸發熱；
Keff——溫度傳感器當量導熱系數；
mlν、msl和msν——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質量流量。
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準和技術研究所的威廉·E·梅爾研究了模擬轟燃前火災的輻射環境，即到達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，假設服裝外層或內層沒有達到足以使織物熔化或發生熱降解的溫度，服裝假定為平面幾何形狀，熱在此平面系統內的傳遞是一維的，對流傳熱假設只發生在防護服套裝的外邊界上，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），獲得織物上溫度數值解。
四、其他模型
在熱防護服傳熱模型方面拓展比較成功是加拿大阿爾伯特大學的宋國文教授，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用于防護服整體熱防護性能的預測。其后，美國北卡州立大學的Chitrphiromsri等人在宋國文等人所建的干態模型（不含濕分）的基礎上，建立了火場高溫環境下多層織物一維耦合熱濕傳遞模型，獲得了服裝層內溫度和濕度的分布情況，模擬預測了人體燒傷。