CN116380284A - 一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温作业专用服装各层温度分布分析系统技术领域，尤其涉及一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，针对当前现有的高温作业专用服装各层温度分布分析系统技术仍存在采用的运算方法简单、对于专用服装采用一体化温度分析，缺少分层，导致建立的温度分布分析系统的结果正确率较低的问题，现提出如下方案，其中包括模型分析模块、标记模块、处理模块、研究模块，本发明的目的是通过采用精度较高的运算方法，提高求解的正确率，并对于专用服装采用分层温度分析，同时通过专业软件进行数据制图，直观地反映了温度随时间变化及不同厚度之间的变化，提高了系统的结果正确率，建立的系统简单易懂，适合在生活实际中进行推广应用。

Description

一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统

技术领域

本发明涉及高温作业专用服装各层温度分布分析系统技术领域，尤其涉及一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统。

背景技术

在高温环境下工作时，人们需要穿着专用服装以避免灼伤。运用数学或科学的方法研究热防护服装，旨在揭示热防护织物内部的热传递规律，为热防护服装的研发提供科学参考。热防护服装是应用最广泛的特种防护服装，目前关于更多热防护服装的设计集中在热防护性能测定、建立热防护服装内部传热模型、发展测定热防护性能的试验方法和实验装置和热防护服装舒适性评价等。合理地评价热防护服装的热防护性能对减少工作人员皮肤损伤具有重要意义。

众多研究者对热防护服装设计及热防护性能问题进行了研究。潘斌对单层热防护服装热传递模型进行介绍，并通过对空气层和皮肤层的热传递数学模型及烧伤评价模型等的研究，结合烧伤准则提出了相关反问题。戴政等人引入大面积防热结构的一维传热假设，依照航天器再入大气层的温度条件，建立了防热结构一维非稳态传热的物理模型和封闭的控制方程，使用差分方法求解方程，进行一维非稳态的传热分析，并采用商业有限元软件ABAQUS的传热分析进行验证。得到了航天器再入大气过程中多层防热结构的各层温度分布。田苗等人从模型的建立及验证2方面出发，主要对传热模型、皮肤烧伤预测模型和火场环境仿真等相关研究进行回顾，并对典型模型的发展过程、特点和不足进行归纳。潘斌对单层热防护服装热传递模型进行介绍，并通过对空气层和皮肤层的热传递数学模型及烧伤评价模型等的研究，结合烧伤准则提出了相关反问题。苏云等人阐述了热防护性能测试中空气层的作用以及空气层热传递机制和空气层热传递模型的研究现状的基础上，提出不同条件下空气层传热模型建立的基本思路，并对未来消防服衣下空气层热传递机制的研究动向作出了预测。基于一定高温环境下经过热防护服传热到假人皮肤的热传导模型进行研究。对测试数据进行处理，得到假人表皮温度随时间变化的曲线，基于传热学的专业理论将温度场随时间的变化过程分化为暂态和稳态两部分，暂态方面基于傅里叶定律和微元思想得到热传导定律偏微分形式，稳态方面通过构建逐层温度差分方程获得一维热传导问题的稳态解。基于两方面得到温度在时间、空间两个维度上的分布场。等人结合傅里叶公式及非稳态下热传导二阶偏微分方程，对高温作业专用服建立非稳态环境下的热传递模型，对模型进行隐性差分处理并进行数值拟合。同时建立非稳态条件下的热传递模型，经比较后得出结论：即稳态条件下各层温度T与时间t与水平坐标x的T(t；x)分布范围更准确合理，最后通过两个分布图观察不同层的温度分布特点。等人针对高温作业专用服装各材料层温度分布问题，借助BP神经网络对假人皮肤温度与作业时间进行拟合，通过建立基于空气层、专用服装材料层和皮肤外侧温度分布的热传导偏微分方程并进行求解，针对服装材料层最优厚度设计问题，构造约束条件下的适应度函数，结合遗传算法进行了寻优。综合运用了MATLAB、Excel等软件对数据进行处理并编程求解，得到了一定前提条件下各材料层随时间分布的温度数据及单层服装材料层最优厚度结论，理论计算结果与实际相近，验证了模型的有效性和可行性，为模型推广应用到作业服装研发领域奠定了基础。等人利用模拟退火算法和有限元等方法研究高温作业专用服装热传导到假人体皮肤的过程中，人体的热生理温度变化及服装评估舒适程度等相关问题，研究成果可以预测高温环境下热传导模型。为了降低长期在高温环境下工作会对工作人员的生理及心理状态产生影响，等人建立衣服各层材料的一维无内热源热传导偏微分方程，结合各层交界处热传导平衡且温度相同的条件，建立出温度分布模型并进行分析。朱方龙建立纯火焰对流作用下消防服传热模型，分析火焰与服装织物外层之间的换热边界条件，运用实验法确定火焰换热系数经验式，研究衣下微气层传导对流传热特征。吴茜研究了平板织物保温性能测试仪的仪器结构，然后在此基础上自行研制了可时、动态显示热板散热功率、织物表面温度的织物热传递性能测试仪。结果显示，该测试仪与常规平板织物保温性能测试仪的测试结果相接近。

但是目前现有的高温作业专用服装各层温度分布分析系统技术仍存在采用的运算方法简单、对于专用服装采用一体化温度分析，缺少分层，导致建立的温度分布分析系统的结果正确率较低的问题，因此，我们提出一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前现有的高温作业专用服装各层温度分布分析系统技术仍存在采用的运算方法简单、对于专用服装采用一体化温度分析，缺少分层，导致建立的温度分布分析系统的结果正确率较低等问题，而提出的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，包括模型分析模块、标记模块、处理模块、研究模块、计算模块、建立模块、离散模块、求解模块和制图模块，其中所述模型分析模块与标记模块连接，所述标记模块与处理模块连接，所述处理模块与研究模块连接，所述研究模块与计算模块连接，所述计算模块与建立模块连接，所述建立模块与离散模块连接，所述离散模块与求解模块连接，所述求解模块与制图模块接；

优选的，所述模型分析模块用于对需要构建的系统进行模型分析，所述标记模块用于对专用服装进行分层标记，所述处理模块用于进行模型假设和符号说明，所述研究模块用于研究满足热能流动的规定性质，所述计算模块用于通过公式进行计算，所述建立模块用于建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，所述离散模块用于通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，所述求解模块用于二维热传导方程以及对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，所述制图模块用于根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图；

其建立方法包括以下步骤：

S1：模型分析：由专业人员对需要构建的系统进行模型分析；

S2：进行处理：由专业人员进行模型假设和符号说明；

S3：建立系统：由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过所述建立的模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统；

S4：进行离散：通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，并进行求解及运算过程；

优选的，所述S1中，由专业人员对需要构建的系统进行模型分析，其中进行模分析时先由专业人员将专用服装进行分层标记，所述专用服装由三层织物材料构成，标记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间存在空隙，其中所述此空隙记为IV层，所述专用服装进行设计时需要将体内温度控制在37℃的假人放置在实验室的高温环境中，并测量假人皮肤外侧的温度，由专业人员利用数学模型确定假人皮肤外侧的温度变化情况，通过热传导的物理知识、热扩散方程及有限差分方法得到每一层的温度分布变化函数，并运用MATLAB进行多次拟合得到每一层的初始温度，根据温度的梯度变化运用递归计算出每一层任一时刻的温度T_i(t)，并利用Matlab图示出来；

优选的，所述S2中，由专业人员进行模型假设和符号说明，其中进行模型假设时假设内容包括假设热量在防护服装之间传导沿着衣服法线方向，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的结构，假设热传递过程中仅仅考虑热传导的传热，忽略热辐射和热对流，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的状态，同时不考虑突发情况，所述突发情况为加热机器的自然损坏和使用故障，并假设借助假人反应热防护服的参数结果可用于客观的反映实际情况，纺织物之间、纺织物与空气间隙之间、空气间隙与假人之间的温度的变化为连续的，且温度变化的梯度为跳跃的，同时热传导的过程，织物、空气间隙及假人受热是均匀的，进行符号说明时所述符号包括ρ、c_p、k、T、t、q、L、x以及h，其中所述ρ表示密度，单位为kg/m³，所述c_p表示比热，单位为J/(kg*C)，所述k表示热传导，单位为W*m^-1*K^-1，所述T表示温度，单位为K，所述t表示时间定长，所述q表示热通量，单位为W*m^-2，所述L表示厚度，单位为m，所述x表示横坐标，所述h表示空间步长；

优选的，所述S3中，由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，其中进行模型建立前预先假设内容中外界环境的温度恒为75℃，并由专业人员进行研究，其中进行研究时研究结果需满足热能流动的规定性质，所述热能流动的规定性质为某个区域内部温度恒定不变则不存在热能流动，某个区域内部存在温度差则热能从温度高的区域传输到温度低的区域，某个区域内部材料相同则热能的流动会由于物质的不同而不同，某个区域内部温度相同则不同物质之间的热能的流动不同，并通过傅里叶热传导定律进行计算，其中傅里叶热传导定律公式为

其中/>

表示温度的导数，表示单位长度的温差，K₀表示物质导热能力的比例系数，计算完成后建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其中所述模型中假设材料为受热均匀的介质，且K₀为常数，则获得偏微分方程式为

其中外界不存在热源时Q＝0，且此时采用/>

作为偏微分方程式，其中常数/>

通过热力学知识获得初值条件的提法，所述初值条件的提法为

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为已知函数，且所述已知函数表示介质在t＝0时刻的温度分布，第一层介质的表面温度已知时获得热传导方程中的第一类边界条件，第一层介质的表面温度已知则/>

其中/>

表示介质的边界，g(t,x,y,z)是定义在/>

上的已知函数，此时T表示给定的正数；

优选的，所述S4中，通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，其中二维热传导方程求解过程为

对于积分微分方程数值解中引用到的基本思想是通过有限个离散点构成的网格来代替连续的定解区域，所述离散点称作网格的节点，将连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数进行近似，并将原方程和定解条件中的用差商进行近似以及积分用积分和进行近似，原微分方程和定解条件近似以代数方程组进行代替，通过所述过程获得有限组，并通过解方程组得到原问题在离散点上的近似解，所述近似解得到后利用插值方法从离散解中得到定解问题在整个区域上的近似解，其中采用的公式为

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由专业人员利用有限差分方法进行求解，其中所述有限差分方法进行使用时是先通过区域离散化将所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格，再采用有限差分公式替代每一个格点的，最后通过逼近求解，其中对网格进行割分时设置时间步长为t，空间步长为h，并将二位区域进行划分，其中进行划分时在各个节点上做平行于坐标轴的直线的离散的一系列网格，划分完成后选择使用差商代替微商获得公式/>

并将所述获得的公式组建立差分格式，采用ADI算法在第n层到第n+1层计算分成两部分进行差分，差分完成后后由专业人员对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，同时根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图，所述有限差分方法求解过程为第一步从/>

求/>

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向前差分，构造出差分格式为/>

通过移项获得/>

其中i＝1,2…,I-1,j＝1,2…,J-1，第二步从

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向后差分，构造出差分格式为/>

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其中i＝1,2…,I-1,j＝1,2...,J-1，最终利用Taylor级数展开获得差分格式的截断误差为O(Δt+(Δx)²+(Δy)²)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过采用精度较高的运算方法，提高求解的正确率，并对于专用服装采用分层温度分析，同时通过专业软件进行数据制图，直观地反映了温度随时间变化及不同厚度之间的变化，提高了系统的结果正确率，建立的系统简单易懂，适合在生活实际中进行推广应用。

本发明的目的是通过采用精度较高的运算方法，提高求解的正确率，并对于专用服装采用分层温度分析，同时通过专业软件进行数据制图，直观地反映了温度随时间变化及不同厚度之间的变化，提高了系统的结果正确率，建立的系统简单易懂，适合在生活实际中进行推广应用。

附图说明

图1为本发明提出的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统的结构图；

图2为本发明提出的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统的系统建立流程图；

图3为本发明提出的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统的热源—防护服—假人三维温度分布图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参照图1-3，一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，包括模型分析模块、标记模块、处理模块、研究模块、计算模块、建立模块、离散模块、求解模块和制图模块，其中所述模型分析模块与标记模块连接，所述标记模块与处理模块连接，所述处理模块与研究模块连接，所述研究模块与计算模块连接，所述计算模块与建立模块连接，所述建立模块与离散模块连接，所述离散模块与求解模块连接，所述求解模块与制图模块接，且所述模型分析模块用于对需要构建的系统进行模型分析，所述标记模块用于对专用服装进行分层标记，所述处理模块用于进行模型假设和符号说明，所述研究模块用于研究满足热能流动的规定性质，所述计算模块用于通过公式进行计算，所述建立模块用于建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，所述离散模块用于通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，所述求解模块用于二维热传导方程以及对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，所述制图模块用于根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图；

其建立方法包括以下步骤：

S1：模型分析：由专业人员对需要构建的系统进行模型分析，其中进行模分析时先由专业人员将专用服装进行分层标记，所述专用服装由三层织物材料构成，标记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间存在空隙，其中所述此空隙记为IV层，所述专用服装进行设计时需要将体内温度控制在37℃的假人放置在实验室的高温环境中，并测量假人皮肤外侧的温度，由专业人员利用数学模型确定假人皮肤外侧的温度变化情况，通过热传导的物理知识、热扩散方程及有限差分方法得到每一层的温度分布变化函数，并运用MATLAB进行多次拟合得到每一层的初始温度，根据温度的梯度变化运用递归计算出每一层任一时刻的温度T_i(t)，并利用Matlab图示出来；

S2：进行处理：由专业人员进行模型假设和符号说明，其中进行模型假设时假设内容包括假设热量在防护服装之间传导沿着衣服法线方向，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的结构，假设热传递过程中仅仅考虑热传导的传热，忽略热辐射和热对流，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的状态，同时不考虑突发情况，所述突发情况为加热机器的自然损坏和使用故障，并假设借助假人反应热防护服的参数结果可用于客观的反映实际情况，纺织物之间、纺织物与空气间隙之间、空气间隙与假人之间的温度的变化为连续的，且温度变化的梯度为跳跃的，同时热传导的过程，织物、空气间隙及假人受热是均匀的，进行符号说明时所述符号包括ρ、c_p、k、T、t、q、L、x以及h，其中所述ρ表示密度，单位为kg/m³，所述c_p表示比热，单位为J/(kg*C)，所述k表示热传导，单位为W*m^-1*K^-1，所述T表示温度，单位为K，所述t表示时间定长，所述q表示热通量，单位为W*m^-2，所述L表示厚度，单位为m，所述x表示横坐标，所述h表示空间步长；

S3：建立系统：由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，其中进行模型建立前预先假设内容中外界环境的温度恒为75℃，并由专业人员进行研究，其中进行研究时研究结果需满足热能流动的规定性质，所述热能流动的规定性质为某个区域内部温度恒定不变则不存在热能流动，某个区域内部存在温度差则热能从温度高的区域传输到温度低的区域，某个区域内部材料相同则热能的流动会由于物质的不同而不同，某个区域内部温度相同则不同物质之间的热能的流动不同，并通过傅里叶热传导定律进行计算，其中傅里叶热传导定律公式为

其中

表示温度的导数，表示单位长度的温差，K₀表示物质导热能力的比例系数，计算完成后建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其中所述模型中假设材料为受热均匀的介质，且K₀为常数，则获得偏微分方程式为/>

其中外界不存在热源时Q＝0，且此时采用/>

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通过热力学知识获得初值条件的提法，所述初值条件的提法为/>

其中

为已知函数，且所述已知函数表示介质在t＝0时刻的温度分布，第一层介质的表面温度已知时获得热传导方程中的第一类边界条件，第一层介质的表面温度已知则

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上的已知函数，此时T表示给定的正数；

S4：进行离散：通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，其中二维热传导方程求解过程为

对于积分微分方程数值解中引用到的基本思想是通过有限个离散点构成的网格来代替连续的定解区域，所述离散点称作网格的节点，将连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数进行近似，并将原方程和定解条件中的用差商进行近似以及积分用积分和进行近似，原微分方程和定解条件近似以代数方程组进行代替，通过所述过程获得有限组，并通过解方程组得到原问题在离散点上的近似解，所述近似解得到后利用插值方法从离散解中得到定解问题在整个区域上的近似解，其中采用的公式为

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由专业人员利用有限差分方法进行求解，其中所述有限差分方法进行使用时是先通过区域离散化将所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格，再采用有限差分公式替代每一个格点的，最后通过逼近求解，其中对网格进行割分时设置时间步长为t，空间步长为h，并将二位区域进行划分，其中进行划分时在各个节点上做平行于坐标轴的直线的离散的一系列网格，划分完成后选择使用差商代替微商获得公式

并将所述获得的公式组建立差分格式，采用ADI算法在第n层到第n+1层计算分成两部分进行差分，差分完成后后由专业人员对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，同时根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图，所述有限差分方法求解过程为第一步从/>

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其中i＝1,2…,I-1,j＝1,2…,J-1，最终利用Taylor级数展开获得差分格式的截断误差为O(Δt+(Δx)²+(Δy)²)。

实施例二

参照图1-3，一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，包括模型分析模块、标记模块、处理模块、研究模块、计算模块、建立模块、离散模块、求解模块和制图模块，其中所述模型分析模块与标记模块连接，所述标记模块与处理模块连接，所述处理模块与研究模块连接，所述研究模块与计算模块连接，所述计算模块与建立模块连接，所述建立模块与离散模块连接，所述离散模块与求解模块连接，所述求解模块与制图模块接，且所述模型分析模块用于对需要构建的系统进行模型分析，所述标记模块用于对专用服装进行分层标记，所述处理模块用于进行模型假设和符号说明，所述研究模块用于研究满足热能流动的规定性质，所述计算模块用于通过公式进行计算，所述建立模块用于建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，所述离散模块用于通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，所述求解模块用于二维热传导方程以及对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，所述制图模块用于根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图；

其建立方法包括以下步骤：

S1：模型分析：由专业人员对需要构建的系统进行模型分析，其中进行模分析时先由专业人员将专用服装进行分层标记，所述专用服装由三层织物材料构成，标记为I、II、III层；

S2：进行处理：由专业人员进行模型假设和符号说明，其中进行模型假设时假设内容包括假设热量在防护服装之间传导沿着衣服法线方向，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的结构，假设热传递过程中仅仅考虑热传导的传热，忽略热辐射和热对流，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的状态，同时不考虑突发情况，所述突发情况为加热机器的自然损坏和使用故障，并假设借助假人反应热防护服的参数结果可用于客观的反映实际情况，纺织物之间、纺织物与空气间隙之间、空气间隙与假人之间的温度的变化为连续的，且温度变化的梯度为跳跃的，同时热传导的过程，织物、空气间隙及假人受热是均匀的，进行符号说明时所述符号包括ρ、c_p、k、T、t、q、L、x以及h，其中所述ρ表示密度，单位为kg/m³，所述c_p表示比热，单位为J/(kg*C)，所述k表示热传导，单位为W*m^-1*K^-1，所述T表示温度，单位为K，所述t表示时间定长，所述q表示热通量，单位为W*m^-2，所述L表示厚度，单位为m，所述x表示横坐标，所述h表示空间步长；

S3：建立系统：由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，其中进行模型建立前预先假设内容中外界环境的温度恒为75℃，并由专业人员进行研究，其中进行研究时研究结果需满足热能流动的规定性质，所述热能流动的规定性质为某个区域内部温度恒定不变则不存在热能流动，某个区域内部存在温度差则热能从温度高的区域传输到温度低的区域，某个区域内部材料相同则热能的流动会由于物质的不同而不同，某个区域内部温度相同则不同物质之间的热能的流动不同，并通过傅里叶热传导定律进行计算，其中傅里叶热传导定律公式为

其中

表示温度的导数，表示单位长度的温差，K₀表示物质导热能力的比例系数，计算完成后建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其中所述模型中假设材料为受热均匀的介质，且K₀为常数，则获得偏微分方程式为/>

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上的已知函数，此时T表示给定的正数；

S4：进行离散：通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，其中二维热传导方程求解过程为

对于积分微分方程数值解中引用到的基本思想是通过有限个离散点构成的网格来代替连续的定解区域，所述离散点称作网格的节点，将连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数进行近似，并将原方程和定解条件中的用差商进行近似以及积分用积分和进行近似，原微分方程和定解条件近似以代数方程组进行代替，通过所述过程获得有限组，并通过解方程组得到原问题在离散点上的近似解，所述近似解得到后利用插值方法从离散解中得到定解问题在整个区域上的近似解，其中采用的公式为

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由专业人员利用有限差分方法进行求解，其中所述有限差分方法进行使用时是先通过区域离散化将所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格，再采用有限差分公式替代每一个格点的，最后通过逼近求解，其中对网格进行割分时设置时间步长为t，空间步长为h，并将二位区域进行划分，其中进行划分时在各个节点上做平行于坐标轴的直线的离散的一系列网格，划分完成后选择使用差商代替微商获得公式

并将所述获得的公式组建立差分格式，采用ADI算法在第n层到第n+1层计算分成两部分进行差分，差分完成后后由专业人员对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，同时根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图，所述有限差分方法求解过程为第一步从/>

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其中i＝1,2…,I-1,j＝1,2…,J-1，最终利用Taylor级数展开获得差分格式的截断误差为O(Δt+(Δx)²+(Δy)²)。

实施例三

参照图1-3，一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，包括模型分析模块、标记模块、处理模块、研究模块、计算模块、建立模块、离散模块、求解模块和制图模块，其中所述模型分析模块与标记模块连接，所述标记模块与处理模块连接，所述处理模块与研究模块连接，所述研究模块与计算模块连接，所述计算模块与建立模块连接，所述建立模块与离散模块连接，所述离散模块与求解模块连接，所述求解模块与制图模块接，且所述模型分析模块用于对需要构建的系统进行模型分析，所述标记模块用于对专用服装进行分层标记，所述处理模块用于进行模型假设和符号说明，所述研究模块用于研究满足热能流动的规定性质，所述计算模块用于通过公式进行计算，所述建立模块用于建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，所述离散模块用于通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，所述求解模块用于二维热传导方程以及对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，所述制图模块用于根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图；

其建立方法包括以下步骤：

S1：模型分析：由专业人员对需要构建的系统进行模型分析，其中进行模分析时先由专业人员将专用服装进行分层标记，所述专用服装由三层织物材料构成，标记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间存在空隙，其中所述此空隙记为IV层，所述专用服装进行设计时需要将体内温度控制在37℃的假人放置在实验室的高温环境中，并测量假人皮肤外侧的温度，由专业人员利用数学模型确定假人皮肤外侧的温度变化情况，通过热传导的物理知识、热扩散方程及有限差分方法得到每一层的温度分布变化函数，并运用MATLAB进行多次拟合得到每一层的初始温度，根据温度的梯度变化运用递归计算出每一层任一时刻的温度T_i(t)，并利用Matlab图示出来；

S2：进行处理：由专业人员进行模型假设，其中进行模型假设时假设内容包括假设热量在防护服装之间传导沿着衣服法线方向，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的结构，假设热传递过程中仅仅考虑热传导的传热，忽略热辐射和热对流，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的状态，同时不考虑突发情况，所述突发情况为加热机器的自然损坏和使用故障，并假设借助假人反应热防护服的参数结果可用于客观的反映实际情况，纺织物之间、纺织物与空气间隙之间、空气间隙与假人之间的温度的变化为连续的，且温度变化的梯度为跳跃的，同时热传导的过程，织物、空气间隙及假人受热是均匀的；

S3：建立系统：由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，其中进行模型建立前预先假设内容中外界环境的温度恒为75℃，并由专业人员进行研究，其中进行研究时研究结果需满足热能流动的规定性质，所述热能流动的规定性质为某个区域内部温度恒定不变则不存在热能流动，某个区域内部存在温度差则热能从温度高的区域传输到温度低的区域，某个区域内部材料相同则热能的流动会由于物质的不同而不同，某个区域内部温度相同则不同物质之间的热能的流动不同，并通过傅里叶热传导定律进行计算，其中傅里叶热传导定律公式为

其中

表示温度的导数，表示单位长度的温差，K₀表示物质导热能力的比例系数，计算完成后建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其中所述模型中假设材料为受热均匀的介质，且K₀为常数，则获得偏微分方程式为/>

其中外界不存在热源时Q＝0，且此时采用/>

作为偏微分方程式，其中常数/>

通过热力学知识获得初值条件的提法，所述初值条件的提法为/>

其中

为已知函数，且所述已知函数表示介质在t＝0时刻的温度分布，第一层介质的表面温度已知时获得热传导方程中的第一类边界条件，第一层介质的表面温度已知则

其中/>

表示介质的边界，g(t,x,y,z)是定义在/>

上的已知函数，此时T表示给定的正数；

S4：进行离散：通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，其中二维热传导方程求解过程为

对于积分微分方程数值解中引用到的基本思想是通过有限个离散点构成的网格来代替连续的定解区域，所述离散点称作网格的节点，将连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数进行近似，并将原方程和定解条件中的用差商进行近似以及积分用积分和进行近似，原微分方程和定解条件近似以代数方程组进行代替，通过所述过程获得有限组，并通过解方程组得到原问题在离散点上的近似解，所述近似解得到后利用插值方法从离散解中得到定解问题在整个区域上的近似解，其中采用的公式为

和/>

由专业人员利用有限差分方法进行求解，其中所述有限差分方法进行使用时是先通过区域离散化将所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格，再采用有限差分公式替代每一个格点的，最后通过逼近求解，其中对网格进行割分时设置时间步长为t，空间步长为h，并将二位区域进行划分，其中进行划分时在各个节点上做平行于坐标轴的直线的离散的一系列网格，划分完成后选择使用差商代替微商获得公式

并将所述获得的公式组建立差分格式，采用ADI算法在第n层到第n+1层计算分成两部分进行差分，差分完成后后由专业人员对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，同时根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图，所述有限差分方法求解过程为第一步从/>

求

对/>

向后差分，对/>

向前差分，构造出差分格式为

通过移项获得

其中i＝1,2…,I-1,j＝1,2…,J-1，第二步从

求/>

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向前差分，对/>

向后差分，构造出差分格式为/>

移项获得/>

其中i＝1,2…,I-1,j＝1,2…,J-1，最终利用Taylor级数展开获得差分格式的截断误差为O(Δt+(Δx)²+(Δy)²)。

将实施例一、实施例二、实施例三中一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统进行试验，得出结果如下：

实施例一、实施例二、实施例三制得的高温作业专用服装各层温度分布分析系统对比现有系统求解的正确率和系统的结果正确率均有了显著提高，且实施例一为最佳实施例。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，包括模型分析模块、标记模块、处理模块、研究模块、计算模块、建立模块、离散模块、求解模块和制图模块，其特征在于，所述模型分析模块与标记模块连接，所述标记模块与处理模块连接，所述处理模块与研究模块连接，所述研究模块与计算模块连接，所述计算模块与建立模块连接，所述建立模块与离散模块连接，所述离散模块与求解模块连接，所述求解模块与制图模块接。

2.根据权利要求1所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，所述模型分析模块用于对需要构建的系统进行模型分析，所述标记模块用于对专用服装进行分层标记，所述处理模块用于进行模型假设和符号说明，所述研究模块用于研究满足热能流动的规定性质，所述计算模块用于通过公式进行计算，所述建立模块用于建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，所述离散模块用于通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，所述求解模块用于二维热传导方程以及对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，所述制图模块用于根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图。

3.根据权利要求1所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，其建立方法包括以下步骤：

S1：模型分析：由专业人员对需要构建的系统进行模型分析；

S2：进行处理：由专业人员进行模型假设和符号说明；

S3：建立系统：由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过所述建立的模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统；

S4：进行离散：通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，并进行求解及运算过程。

4.根据权利要求3所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，所述S1中，由专业人员对需要构建的系统进行模型分析，其中进行模分析时先由专业人员将专用服装进行分层标记，所述专用服装由三层织物材料构成，标记为I、II、III层，其中I层与外界环境接触，III层与皮肤之间存在空隙，其中所述此空隙记为IV层，所述专用服装进行设计时需要将体内温度控制在37℃的假人放置在实验室的高温环境中，并测量假人皮肤外侧的温度，由专业人员利用数学模型确定假人皮肤外侧的温度变化情况，通过热传导的物理知识、热扩散方程及有限差分方法得到每一层的温度分布变化函数，并运用MATLAB进行多次拟合得到每一层的初始温度，根据温度的梯度变化运用递归计算出每一层任一时刻的温度T_i(t)，并利用Matlab图示出来。

5.根据权利要求3所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，所述S2中，由专业人员进行模型假设和符号说明，其中进行模型假设时假设内容包括假设热量在防护服装之间传导沿着衣服法线方向，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的结构，假设热传递过程中仅仅考虑热传导的传热，忽略热辐射和热对流，假设热传递过程中热量的传递不会影响织物材料的状态，同时不考虑突发情况，所述突发情况为加热机器的自然损坏和使用故障，并假设借助假人反应热防护服的参数结果可用于客观的反映实际情况，纺织物之间、纺织物与空气间隙之间、空气间隙与假人之间的温度的变化为连续的，且温度变化的梯度为跳跃的，同时热传导的过程，织物、空气间隙及假人受热是均匀的，进行符号说明时所述符号包括ρ、c_p、k、T、t、q、L、x以及h，其中所述ρ表示密度，单位为kg/m³，所述c_p表示比热，单位为J/(kg*C)，所述k表示热传导，单位为W*m^-1*K^-1，所述T表示温度，单位为K，所述t表示时间定长，所述q表示热通量，单位为W*m^-2，所述L表示厚度，单位为m，所述x表示横坐标，所述h表示空间步长。

6.根据权利要求3所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，所述S3中，由专业人员根据热传导流程图及傅里叶热传导定律建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，其中进行模型建立前预先假设内容中外界环境的温度恒为75℃，并由专业人员进行研究，其中进行研究时研究结果需满足热能流动的规定性质，所述热能流动的规定性质为某个区域内部温度恒定不变则不存在热能流动，某个区域内部存在温度差则热能从温度高的区域传输到温度低的区域，某个区域内部材料相同则热能的流动会由于物质的不同而不同，某个区域内部温度相同则不同物质之间的热能的流动不同，并通过傅里叶热传导定律进行计算，其中傅里叶热传导定律公

式为

其中/>

表示温度的导数，表示单位长度的温差，K₀表示物质导热能力的比例系数，计算完成后建立热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型，并通过建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型建立高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其中所述模型中假设材料为受热均匀的介质，且K₀为常数，则获得偏微分方程式为

其中外界不存在热源时Q＝0，且此时采用/>

作为偏微分方程式，其中常数/>

通过热力学知识获得初值条件的提法，所述初值条件的提法为

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为已知函数，且所述已知函数表示介质在t＝0时刻的温度分布，第一层介质的表面温度已知时获得热传导方程中的第一类边界条件，第一层介质的表面温度已知则/>

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表示介质的边界，g(t,x,y,z)是定义在/>

上的已知函数，此时T表示给定的正数。

7.根据权利要求3所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，所述S4中，通过有限差分方法求解偏微分方程问题将连续问题进行离散化，其中二维热传导方程求解过程为

对于积分微分方程数值解中引用到的基本思想是通过有限个离散点构成的网格来代替连续的定解区域，所述离散点称作网格的节点，将连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数进行近似，并将原方程和定解条件中的用差商进行近似以及积分用积分和进行近似，原微分方程和定解条件近似以代数方程组进行代替，通过所述过程获得有限组，并通过解方程组得到原问题在离散点上的近似解，所述近似解得到后利用插值方法从离散解中得到定解问题在整个区域上的近似解，其中采用的公式为/>

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由专业人员利用有限差分方法进行求解，其中所述有限差分方法进行使用时是先通过区域离散化将所给偏微分方程的求解区域细分成由有限个格点组成的网格，再采用有限差分公式替代每一个格点的，最后通过逼近求解，其中对网格进行割分时设置时间步长为t，空间步长为h，并将二位区域进行划分，其中进行划分时在各个节点上做平行于坐标轴的直线的离散的一系列网格，划分完成后选择使用差商代替微商获得公式/>

并将所述获得的公式组建立差分格式，采用ADI算法在第n层到第n+1层计算分成两部分进行差分，差分完成后后由专业人员对建立的热量—防护服装—空气层—假人的热传递模型进行求解，同时根据有限差分法编写MATLAB代码进行运算，并通过运算求出相应温度的分布图。

8.根据权利要求7所述的一种高温作业专用服装各层温度分布分析系统，其特征在于，所述有限差分方法求解过程为第一步从

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