CN109543224A - 一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统及方法，该计算系统包括计算参数输入模块、传质模型计算模块、织物层能量传递计算模块、空气层能量传递计算模块、热湿传递计算结果输出模块。传质模型计算模块的输入端与计算参数输入模块的输出端连接，织物层能量传递计算模块和空气层能量传递计算模块的输入端均与传质模型计算模块的输出端连接，织物层能量传递计算模块和空气层能量传递计算模块的输出端均与热湿传递计算结果输出模块的输入端连接。该发明的优点在于：能够分析热辐射环境中热防护服的多层织物结构特点和织物湿态分布对热辐射吸收过程，以精确分析多层服装热湿传递耦合过程。

Description

一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统及方法
技术领域
本发明涉及高温热环境个体防护装备安全评估技术领域，尤其是一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统及方法。
背景技术
在火灾或者高温作业环境中，高强度的热辐射会引起暴露人员的烧伤和热应激等危害。热防护服是保障人员免受热辐射威胁的重要装备之一，因此准确评估服装的热湿传递性能，成为个体防护装备领域的重要研究方向。
现有技术中，一般通过分析织物中液态和气态扩散、液滴蒸发和冷凝、吸附和解析等传质过程，或建立织物的辐射和导热耦合传递方程，分析织物的温度和水分分布等热湿传递过程。但是这个过程并没有考虑实际情况下，在热辐射环境中热防护服的多层织物结构特点和织物湿态分布对热辐射吸收过程，而对多层织物的热湿传递过程分析结果并不会十分准确。
目前，还没有关于热辐射条件中多层服装热湿传递过程耦合的计算系统及方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统，所述多层服装包括空气层和织物层，所述织物层包括N层织物子层，每相邻的两层织物子层之间设置一个空气子层，该计算系统包括：
计算参数输入模块，用于获取多种多层服装中的空气子层参数和织物子层参数，建立并保存参数库，获得实验用的某一种多层服装，通过参数库获得该多层服装中的空气子层参数和织物子层参数；
传质模型计算模块，与计算参数输入模块的输出端连接，计算得出该多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度W的空间分布；
织物层能量传递计算模块，与传质模型计算模块的输出端连接，根据各织物子层内液态水浓度W的空间分布、空气子层参数、对应的织物子层参数计算得出各织物子层的温度分布能量方程；
空气层能量传递计算模块，与传质模型计算模块的输出端连接，根据空气子层内水蒸气浓度Cv的空间分布和空气浓度Ca的空间分布、织物子层参数、对应的空气子层参数计算得出空气子层温度分布能量方程；
热湿传递计算结果输出模块，分别与织物层能量传递计算模块的输出端和空气层能量传递计算模块的输出端连接，用于得到、导出、展示多层服装热湿传递计算结果。
优化的，所述计算参数输入模块中N-1组空气子层参数通过实验测量和查表获得，每组空气子层参数包括该空气子层所处的位置、密度ρg、厚度da、导热系数kg、体积比热cv,g；N组织物子层参数通过查表获得，每组织物子层参数包括对应织物子层的密度ρs、厚度d、混合气体速度ug、混合气体的扩散系数Dg、导热系数ks、体积比热cv,s、吸收率κs、孔隙率、多空介质弯曲率
优化的，所述织物层包括3层织物子层，分别为外层、防水透气层、隔热层。
使用上述的热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统的方法，包括以下步骤：
S1、计算参数输入模块获取多种多层服装中的空气子层参数和织物层参数，建立并保存参数库；
S2、计算参数输入模块获得实验用的某一种多层服装，根据织物参数库获取该N组的织物子层参数、N-1组空气子层的空气子层参数；
S3、传质模型计算模块根据质量守恒方程计算织物子层内水蒸气、空气、液态水传质过程，计算得出该多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度W的空间分布；
S4、织物层能量传递计算模块通过织物子层参数和液态水浓度W的空间分布计算织物层的混合吸收系数KT，然后计算出织物子层温度分布能量方程；空气层能量传递计算模块通过织物层子参数、水蒸气浓度Cv的空间分布和空气浓度Ca的空间分布计算空气子层的混合吸收系数K，然后计算出空气子层的温度分布能量方程；
S5、热湿传递计算结果输出模块用于得到、导出、展示多层服装热湿传递计算结果。
详细地说，在步骤S3中，
设置计算点，根据计算点符合水蒸气浓度Cv、空气浓度Ca、液态水的浓度W之间质量守恒方程获得多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度Ca的空间分布，计算点的质量守恒方程具体如下：
其中Cv、Ca和C＝Cv+Ca分别是对应织物子层内水蒸气浓度、空气浓度和混合气体的浓度，kg/m3；W是织物子层内的液态水的浓度，％(g/g)；ug是混合气体的速度，m/s；Dg是混合气体的扩散系数，m2/s；Γce(x,t)是水蒸气的冷凝和蒸发速率，kg/(m3s)；是多空介质的弯曲率；ε0和ε分别是织物子层不含水和含水的孔隙率；其中ρs是对应织物子层的密度，kg/m3；x表示计算点到该织物子层外表面的距离,m；t表示计算时间,s。
详细地说，在步骤S4中，计算织物子层的混合吸收系数KT的公式为：
其中，κs是织物子层的吸收率；ε是织物子层含水的孔隙率；ρs是织物子层密度，ρw是液态水的密度，kg/m3，常量；κw是液态水的吸收系数；
液态水的吸收系数κw计算公式如下：
其中d是织物子层厚度，mm；αw是液态水的吸收率，常量；
计算织物子层温度分布能量方程，公式如下：
其中ρ、ke和cve分别表示织物子层模拟控制单元的密度、导热系数以及体积比热；T表示温度，℃；λ是水蒸发汽化焓，J/kg，常量；κT是织物子层的混合吸收系数；qx是表面热辐射传递的大小，W/m2，通过织物层热辐射传递方程计算获得；
模拟控制单元的密度ρ、导热系数ke以及体积比热cve，通过织物、液体水的体积平均得到，平均公式如下：
ρ＝ρs(1-ε0)(1+W)
ks和cv,s是织物子层的导热系数和体积比热；kw和cv,w是液态水的导热系数和体积比热，是定值。
详细地说，在步骤S4中，计算空气子层的混合吸收系数κ的公式为：
其中，α是空气子层的混合吸收率；da是空气子层的厚度，mm；κv和κa分别是水蒸气和空气的吸收系数，通过查表获得；
空气子层温度分布能量方程为：
其中ρg、kg和cv,g分别表示空气子层的密度、导热系数以及体积比热；κ是混合吸收系数；σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，5.67·10–8W/m2K4；J1和J2是空气子层两外侧面的表面辐射强度，W/m2；
J1和J2计算如下：
和是空气子层计算控制单位的前方和后方发射率，通过查表获得；T1和T2是空气子层计算控制单位的前方和后方温度。
优化的，αw取值0.96。
本发明的优点在于：通过建立参数库，使用某一种多层服装，将该多层服装和环境相应参数作为计算参数输入，通过质量守恒方程计算多层服装中水蒸气浓度、空气浓度以及液态水浓度传质过程，然后分别获得的多层服装的各织物子层、空气子层的温度分布能量方程，预测热辐射条件下多层服装中温度和湿度的传递过程，为开展火灾等热辐射环境下个体防护装备研制提供科学依据，最终达到保护人民生命安全的目标。
附图说明
图1为本发明实施例1中的多层服装热湿传递计算系统示意图；
图2为本发明实施例2中水蒸气与液态水分布传质方程对应的分布图；
图3为本发明实施例2中的温度分布能量方程对应的分布图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统，所述多层服装包括空气层和织物层，所述织物层包括3层织物子层，每相邻的两层织物子层之间设置一个空气子层。织物层包括3层织物子层，分别为外层、防水透气层、隔热层。
该计算系统包括：
计算参数输入模块，用于获取多种多层服装中的空气子层参数和织物子层参数，建立并保存参数库，获得实验用的某一种多层服装，通过参数库获得该多层服装中的空气子层参数和织物子层参数；所述计算参数输入模块中N-1组空气子层参数通过实验测量和查表获得，每组空气子层参数包括该空气子层所处的位置、密度ρg、厚度da、导热系数kg、体积比热cv,g；N组织物子层参数通过查表获得，每组织物子层参数包括对应织物子层的密度ρs、厚度d、混合气体速度ug、混合气体的扩散系数Dg、导热系数ks、体积比热cv,s、吸收率κs、孔隙率、多空介质弯曲率
传质模型计算模块，与计算参数输入模块的输出端连接，计算得出该多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度W的空间分布；
织物层能量传递计算模块，与传质模型计算模块的输出端连接，根据各织物子层内液态水浓度W的空间分布、空气子层参数、对应的织物子层参数计算得出各织物子层的温度分布能量方程；
空气层能量传递计算模块，与传质模型计算模块的输出端连接，根据空气子层内水蒸气浓度Cv的空间分布和空气浓度Ca的空间分布、织物子层参数、对应的空气子层参数计算得出空气子层温度分布能量方程；
热湿传递计算结果输出模块，分别与织物层能量传递计算模块的输出端和空气层能量传递计算模块的输出端连接，用于得到、导出、展示多层服装热湿传递计算结果。
实施例2
使用实施例1的热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统的方法，包括以下步骤：
S1、计算参数输入模块获取多种多层服装中的空气层参数和织物层参数，建立并保存参数库；
S2、计算参数输入模块获得实验用的某一种多层服装，根据参数库获取该3层服装的织物层参数、2组空气子层的空气子层参数；分别暴露于5kW/m2的热辐射强度下200s。三层防护服的材料分别是Nomex III-Defender、Neo-Guard以及Aralite。各层材料的物性参数见表1。两个空气子层的厚度都是1mm。外层和隔热层都预先浸湿(含水49克)，防水透气层保持干燥。空气温度和辐射温度都是25℃，相对湿度50％。
参数 外层 防水透气层 隔热层
材料名称 Nomex III-Defender Neo-Guard Aralite
密度(kg/m<sup>3</sup>) 316.9 597.4 74.2
厚度(mm) 0.82 0.55 3.59
导热系数(W/(m·℃) 0.050 0.071 0.036
比热(J/(g℃)) 1.28 1.56 1.33
发射率 0.090 0.017 0.002
孔隙率 0.7 0.7 0.7
表1
S3、传质模型计算模块根据质量守恒方程计算织物子层内水蒸气、空气、液态水传质过程，计算得出该多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度W的空间分布；其中水蒸气浓度Cv的空间分布如图2所示。
设置计算点，根据计算点符合水蒸气浓度Cv、空气浓度Ca、液态水的浓度W之间质量守恒方程获得多层服装中的水蒸气浓度的空间分布和液态水浓度的空间分布，计算点的质量守恒方程具体如下：
其中Cv、Ca和C＝Cv+Ca分别是对应织物子层内水蒸气浓度、空气浓度和混合气体的浓度，kg/m3；W是织物子层内的液态水的浓度，％(g/g)；ug是混合气体的速度，m/s；Dg是混合气体的扩散系数，m2/s；Γce(x,t)是水蒸气的冷凝和蒸发速率，kg/(m3s)，根据Hertz-Knudsen等式计算得到；是多空介质的弯曲率；ε0和ε分别是织物子层不含水和含水的孔隙率；其中ρs是对应织物子层的密度，kg/m3；x表示计算点到该织物子层外表面的距离,m；t表示计算时间,s。
S4、织物层能量传递计算模块通过织物子层参数和液态水浓度W的空间分布计算织物层的混合吸收系数KT，然后计算出织物子层的温度分布能量方程；空气层能量传递计算模块通过织物层子参数、水蒸气浓度Cv的空间分布和空气浓度Ca的空间分布计算空气子层的混合吸收系数K，然后计算出空气子层的温度分布能量方程。
计算织物子层的混合吸收系数KT的公式为：
其中，κs是织物子层的吸收率；ε是织物子层含水的孔隙率；ρs是织物子层密度，ρw是液态水的密度，kg/m3，常量；κw是液态水的吸收系数；
液态水的吸收系数κw计算公式如下：
其中d是织物子层厚度，mm；αw是液态水的吸收率，αw取值0.96；
计算温度分布能量方程，公式如下：
其中ρ、ke和cve分别表示织物子层模拟控制单元的密度、导热系数以及体积比热；T表示温度，℃；λ是水蒸发汽化焓，J/kg，常量；κT是织物子层的混合吸收系数；qx是表面热辐射传递的大小，W/m2，通过织物层热辐射传递方程计算获得；
模拟控制单元的密度ρ、导热系数ke以及体积比热cve，通过织物、液体水的体积平均得到，平均公式如下：
ρ＝ρs(1-ε0)(1+W)
ks和cv,s是织物子层的导热系数和体积比热；kw和cv,w是液态水的导热系数和体积比热，是定值。
计算空气子层的混合吸收系数κ的公式为
其中，α是空气子层的混合吸收率；da是空气子层的厚度，mm；κv和κa分别是水蒸气和空气的吸收系数，通过查表获得；
空气子层温度分布能量方程为
其中ρg、kg和cv,g分别表示空气子层的密度、导热系数以及体积比热；κ是混合吸收系数；σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，5.67·10–8W/m2K4；J1和J2是空气子层两外侧面的表面辐射强度，W/m2；
J1和J2计算如下：
和是空气子层计算控制单位的前方和后方发射率，通过查表获得；T1和T2是空气子层计算控制单位的前方和后方温度。
S5、如图3所示，计算结果输出模块导出和展示多层服装的各织物子层、空气子层的温度分布能量方程。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统，其特征在于，所述多层服装包括空气层和织物层，所述织物层包括N层织物子层，每相邻的两层织物子层之间设置一个空气子层，该计算系统包括：
计算参数输入模块，用于获取多种多层服装中的空气子层参数和织物子层参数，建立并保存参数库，获得实验用的某一种多层服装，通过参数库获得该多层服装中的空气子层参数和织物子层参数；
传质模型计算模块，与计算参数输入模块的输出端连接，计算得出该多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度W的空间分布；
织物层能量传递计算模块，与传质模型计算模块的输出端连接，根据各织物子层内液态水浓度W的空间分布、空气子层参数、对应的织物子层参数计算得出各织物子层的温度分布能量方程；
空气层能量传递计算模块，与传质模型计算模块的输出端连接，根据空气子层内水蒸气浓度Cv的空间分布和空气浓度Ca的空间分布、织物子层参数、对应的空气子层参数计算得出空气子层温度分布能量方程；
热湿传递计算结果输出模块，分别与织物层能量传递计算模块的输出端和空气层能量传递计算模块的输出端连接，用于得到、导出、展示多层服装热湿传递计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统，其特征在于，所述计算参数输入模块中N-1组空气子层参数通过实验测量和查表获得，每组空气子层参数包括该空气子层所处的位置、密度ρg、厚度da、导热系数kg、体积比热cv,g；N组织物子层参数通过查表获得，每组织物子层参数包括对应织物子层的密度ρs、厚度d、混合气体速度ug、混合气体的扩散系数Dg、导热系数ks、体积比热cv,s、吸收率κs、孔隙率、多空介质弯曲率
3.根据权利要求2所述的一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统，其特征在于，所述织物层包括3层织物子层，分别为外层、防水透气层、隔热层。
4.使用权利要求1-3任意一项所述的热辐射条件下多层服装热湿传递计算系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、计算参数输入模块获取多种多层服装中的空气子层参数和织物层参数，建立并保存参数库；
S2、计算参数输入模块获得实验用的某一种多层服装，根据织物参数库获取该N组的织物子层参数、N-1组空气子层的空气子层参数；
S3、传质模型计算模块根据质量守恒方程计算织物子层内水蒸气、空气、液态水传质过程，计算得出该多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度W的空间分布；
S4、织物层能量传递计算模块通过织物子层参数和液态水浓度W的空间分布计算织物层的混合吸收系数KT，然后计算出织物子层温度分布能量方程；空气层能量传递计算模块通过织物层子参数、水蒸气浓度Cv的空间分布和空气浓度Ca的空间分布计算空气子层的混合吸收系数K，然后计算出空气子层的温度分布能量方程；
S5、热湿传递计算结果输出模块用于得到、导出、展示多层服装热湿传递计算结果。
5.根据权利要求4所述的一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算方法，其特征在于，在步骤S3中，
设置计算点，根据计算点符合水蒸气浓度Cv、空气浓度Ca、液态水的浓度W之间质量守恒方程获得多层服装中的水蒸气浓度Cv的空间分布、空气浓度Ca的空间分布、液态水浓度Ca的空间分布，计算点的质量守恒方程具体如下：
其中Cv、Ca和C＝Cv+Ca分别是对应织物子层内水蒸气浓度、空气浓度和混合气体的浓度，kg/m3；W是织物子层内的液态水的浓度，％(g/g)；ug是混合气体的速度，m/s；Dg是混合气体的扩散系数，m2/s；Γce(x,t)是水蒸气的冷凝和蒸发速率，kg/(m3s)；是多空介质的弯曲率；ε0和ε分别是织物子层不含水和含水的孔隙率；其中ρs是对应织物子层的密度，kg/m3；x表示计算点到该织物子层外表面的距离,m；t表示计算时间,s。
6.根据权利要求5所述的一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算方法，其特征在于，在步骤S4中，计算织物子层的混合吸收系数KT的公式为：
其中，κs是织物子层的吸收率；ε是织物子层含水的孔隙率；ρs是织物子层密度，ρw是液态水的密度，kg/m3，常量；κw是液态水的吸收系数；
液态水的吸收系数κw计算公式如下：
其中d是织物子层厚度，mm；αw是液态水的吸收率，常量；
计算织物子层温度分布能量方程，公式如下：
其中ρ、ke和cve分别表示织物子层模拟控制单元的密度、导热系数以及体积比热；T表示温度，℃；λ是水蒸发汽化焓，J/kg，常量；κT是织物子层的混合吸收系数；qx是表面热辐射传递的大小，W/m2，通过织物层热辐射传递方程计算获得；
模拟控制单元的密度ρ、导热系数ke以及体积比热cve，通过织物、液体水的体积平均得到，平均公式如下：
ρ＝ρs(1-ε0)(1+W)
ks和cv,s是织物子层的导热系数和体积比热；kw和cv,w是液态水的导热系数和体积比热，是定值。
7.根据权利要求5所述的一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算方法，其特征在于，在步骤S4中，计算空气子层的混合吸收系数κ的公式为：
其中，α是空气子层的混合吸收率；da是空气子层的厚度，mm；κv和κa分别是水蒸气和空气的吸收系数，通过查表获得；
空气子层温度分布能量方程为：
其中ρg、kg和cv,g分别表示空气子层的密度、导热系数以及体积比热；κ是混合吸收系数；σ是斯特藩-玻尔兹曼常数，5.67·10–8W/m2K4；J1和J2是空气子层两外侧面的表面辐射强度，W/m2；
J1和J2计算如下：
和是空气子层计算控制单位的前方和后方发射率，通过查表获得；T1和T2是空气子层计算控制单位的前方和后方温度。
8.根据权利要求6所述的一种热辐射条件下多层服装热湿传递计算方法，其特征在于，αw取值0.96。
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CN118582944A (zh) * 2024-08-05 2024-09-03 绍兴恒元机械制造有限公司 一种纺织品的烘干控制方法及系统

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