高温作业服装设计：基于非稳态导热的热防护分析

"该文探讨了在高温环境下工作的专用服装设计，主要关注如何通过调整服装材料的厚度来控制皮肤外侧的温度。问题涉及到利用数学模型来模拟温度分布，以确保在不同环境温度下，假人皮肤外侧的温度保持在安全范围内。文章基于非稳态导热理论，分析了热传导在服装各层介质中的作用，通过建立偏微分方程组来描述这一过程。使用后向欧拉法求解温度分布，并应用黄金分割法找到最优的材料厚度。此外，还讨论了在不同环境温度下寻找最佳的II层和IV层厚度组合，以满足工作时间和温度限制。" 本文的核心知识点如下： 1. 高温防护服装设计：服装作为热防护的中间体，其隔热保温性能是关键。在高温环境下，专用服装由三层织物材料（I、II、III层）加上空隙层（IV层）构成，目的是保护人体免受伤害。 2. 非稳态导热分析：在问题分析中，使用了非稳态导热理论，考虑了环境温度、织物材料参数以及人体温度对温度分布的影响。假人被用来模拟真实人体，其皮肤外侧温度的变化反映了服装的热防护效果。 3. 数学建模：为降低成本和研发周期，建立了数学模型来计算温度分布。模型基于Fourier定律，考虑了一维情况下的热传导方程，以及初始条件、衔接条件和边界条件。 4. 数值方法应用：采用后向欧拉法进行有限差分处理，求解偏微分方程，得出温度场随时间和空间的变化。这种方法有助于模拟实际温度变化情况。 5. 优化问题：针对问题二和三，运用黄金分割法寻找最优的II层（d2）和IV层（d4）厚度，以确保在特定环境温度和工作时间内，皮肤外侧温度不超过预设阈值。 6. 边界条件和约束：在优化过程中，考虑了成本、行动便捷性以及温度超过安全范围的时间限制。优化结果提供了最优的材料厚度组合，确保了工作安全和舒适性。 7. 动态平衡：实验数据表明，皮肤外侧温度在一定时间后达到与假人内部温度的动态平衡，这是一个重要的设计参考点。 通过对这些问题的深入分析和数学建模，文章揭示了高温作业专用服装设计的关键因素，为实际应用提供了理论指导。