高温作业防护服设计：一维模拟与最优厚度计算

本文主要探讨的是高温作业专用服装的设计与优化，针对如何根据环境条件有效设计服装以减少热量传递的问题，作者运用了一维复合介质热传导方程作为理论基础。文章首先通过将高温作业服的各个分层简化为相互接触的平行无限大平板，构建了一维热传导模型，利用Crank-Nicholson方法进行数值求解，并通过对实验数据的拟合，确定了各层间的对流换热系数，如I层和IV层与人体皮肤之间的换热系数。 在问题一中，作者通过已知的热传导模型，针对不同环境条件，计算出服装内部各层随时间和空间变化的温度分布，这对于理解服装在实际工作中的热传递性能至关重要。这一步骤对于控制研发成本和缩短研发周期具有指导意义，通过求解优化了各层的厚度参数，为后续的实验测试提供了科学依据。 问题二着重于经济性优化，目标是寻找II层的最小厚度，即在满足一定约束条件下使用最少材料。这是一个单变量非线性规划问题，通过逐步缩小搜索范围和调整步长，作者找到了II层的最优厚度为17.6mm，同时确保皮肤外侧温度不超过安全阈值的时间。 问题三则扩展到了整个服装结构的优化，考虑到IV层作为空隙层，作者在保持II层最小的前提下，寻求IV层厚度以最小化研发成本和周期。同样采用优化方法，最终确定了II层的最小厚度为19.3mm和IV层的最优厚度为6.4mm，这两个厚度组合下的皮肤外侧温度超过44℃的持续时间为290s。 整个研究过程强调了数学建模的精确性和实用性，特别是对厚度敏感性及环境对流换热系数的稳定性的分析，表明了模型的有效性。关键词包括一维复合介质热传导方程、Crank-Nicholson方法以及非线性规划，这些技术的应用为高温作业专用服装设计提供了科学决策支持。