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摘要：高温作业专用服装主要用于高温环境下的工作人员，能够促进身体快速散热，同时阻挡外界高温对人体的伤害，具有防中暑、防烧伤、防灼伤的功能。近年来，随着热防护技术的发展和人对对身体健康的愈发重视，社会对高温作业专用服装的要求也大大提高。本文将针对高温作业专用服装热度分布问题建立相关模型并给出最优化设计。
关键词：高温工作专用服装、热传递模型、数值求解、单目标优化模型
1.引言
高温作业专用服装主要用于高温环境下的工作人员，通常由三层织物材料构成，能够促进身体快速散热，同时阻挡外界高温对人体的伤害，具有防中暑、防烧伤、防灼伤的功能。
本文主要在给定各层厚度之下建立数学模型解决温度分布问题，通过查找相关资料得到在傅里叶定律和能量守恒定律下可以推导出一维热传导方程，然后利用变步长搜索得到各层温度的具体分布，并利用图解法对该温度分布结果进行验证。最后将第Ⅱ层的厚度定为目标函数，然后根据题意确定两个优化目标：确保工作60分钟时，假人皮肤外侧温度不超过47℃；超过44℃的时间不超过5分钟，以及其自身厚度范围作为约束条件，建立单目标优化模型，利用遗传算法通过搜索得到该目标优化模型的全局最优解，这个最优解就是第Ⅱ层的最优厚度。
2.高温作业服研究现状分析
2.1国内研究现状
我国最初的热功能防护服研制于19世纪60年代，是利用冷水循环进行储热的管式降温服，80年代末，我国航空医学研究院研制出管式液冷温防暑背心，其防热效能远远优于管式降温服并且具有轻便、安全等特点，在一定程度上可以降低人替热应激。90年代末，张吉州等人研制的恒温防护服已经基本接近目前防护服的外形，并且适用于高温、低温及有害气体的环境。目前，热功能防护服主要分为高温防护服、消防员灭火服、工业隔热服、消防隔热服以及消防避火服五种，这五种服装在设计生产和材料选择等方面存在极大的差异。
2.2国外研究现状
近年来，关于热防护服热传递模型研究是一个热点问题，Gibson首先提出了高温条件下单层多孔介质传热传质模型，该模型未考虑织物层中热辐射的影响。为了改进模型，Torvi在考虑长时间暴露在强辐射和低辐射的条件下，建立了热防服外壳材料的热传递模型。由于空气层的厚度对热防护服特性有一定的影响，Torvi在考虑空气层的厚度对防护服热性能的影响基础上，又建立了用于计算冷却过程中内部传热和皮肤受伤时间的模型等。
2.3发展趋势
随着科学技术的进步与发展，高温作业专用服在检测标准、材料以及设计、制作方法上也会大大改善，并呈现以下新趋势：
（1）标准方面：在科学技术的进步发展之下，高温作业专用服的各类标准在不断更新、细化和完善。
（2）材料方面：高分子材料不断涌现，且其性能较稳定，在高温作业专用服上的使用指日可待。将纳米材料、石墨烯、碳纳米管、气凝胶等材料改进用于高温作业专用服上，根据其本身较稳定的特性能够增强热防护功能，打开一片新天地。
（3）结构设计方面：目前各类热功能防护服接缝处存在热渗透、密闭性不良等问题，结构设计上可以发展一次性成型无缝技术。
（4）制作方面：随着3D打印技术的飞速发展，有望使用3D打印技术制作一次性成型无缝衔接的热防护服。
3热传递方式在本文中的适用性分析
热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，其在固体液体和气体中均可发生，但严格而言，只有固体中才有纯粹的热传导，而流体处于静止状态，其中也会由于温度体都所造成的密度差二掺上自然对流，因此，在流体中热对流和热传导同时发生。热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热量传递的三种方式之一。一切高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大。热对流又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，是传热的三种方式之一。
本文中的高温专用服装有三层织物材料构成，分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层，其中Ⅰ层与外界环境相接触，热传递中需要考虑到热辐射，Ⅲ层与皮肤之间的缝隙为Ⅳ层，由于该层的厚度范围(0.6-6.4毫米)小于8毫米，热辐射带来的影响较小，其影响可以忽略，因此，只需和Ⅱ层、Ⅲ层一样只考虑热传导即可。
3.1一维热传导方程的推导
由傅里叶定律和能量守恒定律，通过织物表面单位面积的热能流速与表面上的负温度梯度成正比，即：
图1 各个层温度分布情况
4.遗传算法搜索最优解
遗传算法（Genetic Algorithm, GA）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。个体编码。本题中用无符号二进制表示，因为是0.16-25之间的数，根据编码和解码程序的相互转换，用它的一个基因型来表示一个可行解。算法执行过程如下：
（1）初始群体的产生。根据d2的范围(0.16-25)，因此以d2=0.16为起始搜索点。（2）遗传算法中以个体适应度来判定各个个体的优劣程度，从而决定遗传机会的大小，在该单目标优化模型中，函数的最小值为优化目标，故可直接利用目标函数的负号作为个体适应度。（3）遗传算子的选择。比较选择算子，从当代群体里面选择出一些比较优良的个体，并将其复制到下一个群体中。（4）选择运算，执行代码，找到最优解。在单目标优化模型中，契合值最优，即人体皮肤温度和47℃的最小差值，我们利用MATLAB实现单目标优化模型的最优解寻找。
参考文献：
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论文作者:公慧,李健,魏公星
论文发表刊物:《防护工程》2019年第2期
论文发表时间:2019/7/3
标签：防护服论文; 模型论文; 热传导论文; 热辐射论文; 最优论文; 温度论文; 高温论文; 《防护工程》2019年第2期论文;