高温防护服的热传递优化：非稳态导热与反向推算

本文主要探讨了热传递的两种主要方式——热传导和热辐射在高温作业专用服装设计中的应用。首先，热传导被定义为在存在温度差的介质中，分子通过碰撞传递能量，从高温区域向低温区域流动，这是非稳态导热过程的基础。在防护服的设计中，考虑到假人与防护服之间的热传递，由于环境温度恒定，且忽略边缘热量损失和空气对流，可以将织物简化为一个多层导热平面，其中各层的温度分布受到时间和相对位置的影响。 热辐射则涉及到物体通过发射电磁波传输能量的过程，温度越高，辐射的强度越大。在模型分析中，作者利用傅里叶定律描述了导热速率，将温度变化视为能量传递的体现，并将其转化为电磁波的辐射和介质中电磁波的传输问题。然而，由于二元偏微分方程的解析解难以获取，文章采取了离散化的方法，以一秒为时间单位，分析温度变化与位置的关系，将复杂的二维问题简化为一维。 针对防护服设计中的具体问题，如各层织物的厚度选择，文章通过建立数学模型来解决。对于第一问题，通过非稳态导热理论，将问题简化为一维，通过反向递推法确定了第Ⅳ层至第Ⅰ层的温度分布，并利用最小二乘法求得温度分布的优化结果。第二个问题是关于在一小时内系统温度变化的优化设计，通过设定温度阈值和时间限制，找到第Ⅱ层厚度的最佳值。最后，对于给定半小时内的温度变化，增加了更多约束条件，利用优化工具Lingo进一步优化第Ⅱ层和第Ⅳ层的厚度，同时继续采用离散化分析方法，逆向推导出相关设计参数。 因此，本文的核心知识点包括：热传导与热辐射的基本原理，非稳态导热模型的应用，离散化分析技术在温度分布预测和设计参数优化中的作用，以及反向递推和最优化求解策略在高温防护服设计中的实际应用。这些内容对于理解和设计高性能的热防护服至关重要，有助于确保穿着者在高温环境下保持安全和舒适。