CN117610318A - 一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法及系统，涉及材料分析技术领域，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法包括以下步骤：基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料；构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程；对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性；对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料；分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。本发明能够精准判断相变蓄热材料的放热及吸热能力，进而为防护手套的设计和优化提供重要的数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及材料分析技术领域，具体来说，涉及一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法及系统。
背景技术
相变蓄热材料是一类具有特殊性质的材料，其主要特征在于能够在相变过程中吸收或释放大量的热量，这种相变过程通常涉及物质由一个状态（例如固态）转变为另一个状态（例如液态）时伴随的潜热变化。这些材料通常应用于热能存储和传递领域，其中最常见的相变是固态到液态或液态到固态的转变。在相变蓄热材料中，这种相变可以在特定温度范围内发生，使得材料能够吸收热量以融化，并在需要时释放储存的热量以凝固。
相变蓄热材料在防护手套中的应用主要旨在提高手套的热保护性能，使其能够更有效地应对温度变化和热辐射，相变蓄热材料能够吸收周围环境的热量，将其存储为潜热，当环境温度升高时释放存储的热量，这使得防护手套能够调节手部温度，提供更舒适的使用体验，将相变蓄热材料放置在防护手套的关键部位，如手部关节处，可以提供局部的热保护，这有助于防止手部在高温环境中过热，同时在低温环境中提供额外的保温效果。
然而，在用于防护手套的相变蓄热材料选择方法中，如果不能根据手部各个关节的热响应进行精准设计，可能导致相变蓄热材料在防护手套制作中的分布不均匀，并且无法根据手部的各处位置合理选择相匹配性能的相变蓄热材料，从而影响防护手套整体的热保护性能，且部分相变蓄热材料可能影响防护手套的灵活性，特别是在手部关节处，如果材料过于厚重，可能降低防护手套的灵活性，进而影响使用者的手部操作能力。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法及系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法包括以下步骤：
S1、基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料，其中，实际应用场景包括工作环境温度范围、手部暴露时间及所需隔热性能；
S2、构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程；
S3、记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性；
S4、对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料；
S5、分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。
优选地，构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程包括以下步骤：
S21、对各相变蓄热材料进行物相分析，判断各相变蓄热材料的热传导及热能分布；
S22、基于相变蓄热材料的热能传导及热能分布，将各相变蓄热材料内部划分为蓄热体区域和热介质区域，其中，蓄热体区域用于储存和释放热能，热介质区域用于在相变过程中传导和分布热能；
S23、分别为蓄热体区域和热介质区域建立相变热传导模型，并利用焓法对相变热传导模型的热传导过程进行分析；
S24、对相变热传导模型进行离散化处理，并将热传导分析结果结合相变热传导边界对相变蓄热材料的热传导温度场进行划分；
S25、利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演。
优选地，利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演包括以下步骤：
S251、利用相变热传导边界上的有限数据点测量相变蓄热材料的热能流点，基于热能流点生成待反演的相变蓄热材料的初始反演点；
S252、结合初始反演点的梯度构造共轭方向，并沿着共轭方向搜索目标函数的极小值点；
S253、建立相变热传导边界的热能分布模型，并通过极小值点求解热能分布模型得到热能流点处的热能值；
S254、判断反演的迭代条件是否满足，若不满足时，则继续执行迭代过程；若满足时，则基于热能流点处的热能值并结合时空演变规律分别计算反演梯度、共轭系数、搜索方向及搜索步长；
S255、结合反演梯度、共轭系数、搜索方向及搜索步长的计算结果生成反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演。
优选地，记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性包括以下步骤：
S31、利用热常数分析仪检测各相变蓄热材料在相变过程中的热物性；
S32、基于各相变蓄热材料在相变过程中的热物性修正相变热动力学，并预测各相变蓄热材料在相变过程中的物相转变量；
S33、将物相转变量中引入阻滞函数描述相变热传导边界中阻力的热滞，并建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系；
S34、引入阻滞焓来表征相变热传导边界所具有的焓，并利用热能函数判断各相变蓄热材料的相变潜热，同时基于相变潜热判断各相变蓄热材料的潜热特性。
优选地，将物相转变量中引入阻滞函数描述相变热传导边界中阻力的热滞，并建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系包括以下步骤：
S331、将物相转变量用于描述相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换的理论机理，并在物相转变量的基础上引入阻滞函数，并利用阻滞函数描述相变热传导边界中的传导延迟；
S332、将阻滞函数与修正后的相变热动力学耦合，明确阻滞函数对物相转变过程的影响程度；
S333、基于物相转变过程的影响程度对相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换进行耦合计算，得到相变蓄热材料的温度场；
S334、基于相变蓄热材料的温度场建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系。
优选地，分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况包括以下步骤：
S51、利用有限元技术建立手部的三维模型，并基于防护手套的应用场景在手部关节各处施加实际工作条件下的受力承载情况；
S52、基于受力承载情况并结合生理学信息模拟手部关节各处的热特性，分析手部关节各处的热响应程度，其中，手部关节包括指尖区域、手掌中心及手背；
S53、将各相变蓄热材料的潜热特征与手部关节各处的热响应程度进行性能参数匹配，并根据匹配结果调整相变蓄热材料在防护手套中的分布情况；
S54、基于相变蓄热材料在防护手套中的分布情况判断防护手套内流体流动是否符合热力学守恒定律；
S55、模拟防护手套的内部以导热的形式进入热流，并模拟加热防护手套内部的微元体以计算热流关系；
S56、制作防护手套的原型，确保相变蓄热材料的正确布局和集成，并测试防护手套在实际工作条件下的热性能。
优选地，热流关系的计算公式为：
；
式中，表示热流关系；/>表示防护手套内部在导热过程中的比热；/>表示防护手套内部进入热流时的比热；/>表示防护手套的孔隙率；/>表示防护手套的相变潜热；/>表示防护手套内部在导热过程中的速度；/>表示防护手套内部进入热流时的速率；表示热力学守恒定律；/>表示时间；/>表示时间变量。
优选地，基于受力承载情况并结合生理学信息模拟手部关节各处的热特性，分析手部关节各处的热响应程度包括以下步骤：
S521、基于受力承载情况并结合生理学信息建立手部热调节模型，并融合手部的三维模型及手部热调节模型，同时将融合模型划分为被动区域及主动区域；
S522、基于血液循环理论机制将被动区域与主动区域相关联，分析被动区域与主动区域在突加热荷负载下的温度场；
S523、将温度场的控制方程进行转换，并将转换结果通过数值逆变换得到温度场的数值解；
S524、基于温度场的数值解求解热能位移，并判断手部热调节模型中的热驰豫时间和分数阶因子的滞留影响；
S525、基于热驰豫时间和分数阶因子的滞留影响评估手部关节各处的热响应程度。
优选地，被动区域包括手部几何特性、热传输特性及能量传输机理，主动区域包括控制出汗、血液循环进行手部温度调节。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统包括相变蓄热材料选取模块、相变过程反演模块、潜热特性判断模块、最优特性选取模块、手部热响应分析模块；
其中，相变蓄热材料选取模块依次与相变过程反演模块、潜热特性判断模块、最优特性选取模块及手部热响应分析模块连接；
相变蓄热材料选取模块，基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料，其中，实际应用场景包括工作环境温度范围、手部暴露时间及所需隔热性能；
相变过程反演模块，构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程；
潜热特性判断模块，记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性；
最优特性选取模块，对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料；
手部热响应分析模块，分析手部关节各处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程能够根据环境条件选择合适的相变蓄热材料，确保防护手套在不同温度范围内具有良好的性能，并通过建立传热模型，能够更好地理解相变热传导过程，确保相变蓄热材料的热性能得到充分利用，确定相变过程对防护手套内部热能调节的实际影响，进而提高热保护性能的同时不影响防护手套的舒适性和灵活性。
2、本发明通过记录各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，能够更准确地评估相变蓄热材料的性能，确保选用的相变蓄热材料具有良好的热传导性、相变潜热等特性，提高防护手套的整体热保护性能，同时有助于更精确地预测防护手套在不同环境下的热性能，并进行潜热对比模拟可以直观地比较不同相变蓄热材料的潜热特性，精准判断相变蓄热材料的放热及吸热能力，进而为防护手套的设计和优化提供重要的数据支持。
3、本发明通过分析手部关节处的热响应特征，能够更准确地了解手部关节处的热响应情况，从而调整相变蓄热材料的分布，使手部关节处得到精准而有效的热保护，并且使得防护手套设计更贴合实际使用需求，不同部位采用不同性能参数的相变蓄热材料分布，最大化提高防护手套在各个部位的热保护性能，避免在手部关节处过度增加材料厚度，进而提升防护手套在关键区域的热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统的原理框图。
图中：
1、相变蓄热材料选取模块；2、相变过程反演模块；3、潜热特性判断模块；4、最优特性选取模块；5、手部热响应分析模块。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
根据本发明的实施例，提供了一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法及系统。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1所示，根据本发明实施例的用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法包括以下步骤：
S1、基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料，其中，实际应用场景包括工作环境温度范围、手部暴露时间及所需隔热性能。
需要说明的是，工作环境温度范围：考虑防护手套将用于的工作环境的温度范围是选择相变蓄热材料的关键因素，不同的相变材料在不同温度范围内具有不同的相变特性。
手部暴露时间：考虑在工作中手部会暴露在高温环境下的时间长短，如果手部需要长时间暴露在高温环境中，相变蓄热材料需要具有足够的潜热储存能力以提供持久的隔热效果。
所需隔热性能：根据工作环境的热要求确定所需的隔热性能。
耐久性：选择具有较好耐久性的相变蓄热材料，以确保手套在多次使用和相变循环中仍然保持性能。
S2、构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程。
其中，构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程包括以下步骤：
S21、对各相变蓄热材料进行物相分析，判断各相变蓄热材料的热传导及热能分布。
需要说明的是，对各相变蓄热材料进行物相分析，判断各相变蓄热材料的热传导及热能分布包括以下步骤：基于相变蓄热材料的物相图（物相图是描述材料在不同温度和压力下的相态变化的图表）评估相变蓄热材料的热传导性质，其包括测量材料的导热系数、热扩散系数等热学参数；确定相变蓄热材料的热量储存能力，涉及到测量材料在相变过程中释放或吸收的潜热，潜热值表示单位质量的材料在相变时所吸收或释放的热量；利用数值模拟工具模拟相变蓄热材料中热传导的过程。
S22、基于相变蓄热材料的热能传导及热能分布，将各相变蓄热材料内部划分为蓄热体区域和热介质区域，其中，蓄热体区域用于储存和释放热能，热介质区域用于在相变过程中传导和分布热能；
S23、分别为蓄热体区域和热介质区域建立相变热传导模型，并利用焓法对相变热传导模型的热传导过程进行分析。
需要说明的是，分别为蓄热体区域和热介质区域建立相变热传导模型，并利用焓法对相变热传导模型的热传导过程进行分析包括以下步骤：求解建立的热传导模型，得到蓄热体区域中温度分布随时间的演化；在热介质区域和蓄热体区域的模型中，引入相变焓来描述相变过程中的热吸收或释放；根据焓法修正热传导模型，确保在相变区域正确地考虑相变潜热的影响。
S24、对相变热传导模型进行离散化处理，并将热传导分析结果结合相变热传导边界对相变蓄热材料的热传导温度场进行划分；
S25、利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演。
需要说明的是，利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演包括以下步骤：对划分后的空间进行时变性分析，观察温度场随时间的演变规律根据观察到的时空演变规律，建立时空关联性模型，该模型描述了温度场在不同空间点和时间点之间的关系；利用反演算法以反演相变蓄热材料的内部状态；定义反演过程中的目标函数，该函数度量模型预测值与实际观测值之间的差异；利用划分后的温度场，初始化相变反演模型，通过优化目标函数逐步调整相变蓄热材料的内部状态，使模拟的温度场与观测到的温度场更好地拟合。
其中，利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演包括以下步骤：
S252、结合初始反演点的梯度构造共轭方向，并沿着共轭方向搜索目标函数的极小值点。
需要说明的是，结合初始反演点的梯度构造共轭方向，并沿着共轭方向搜索目标函数的极小值点包括以下步骤：将初始反演点作为起始点，在初始反演点处计算目标函数的梯度；将初始搜索方向设为梯度的负方向，并迭代计算共轭方向；通过线搜索等方法选择合适的步长，沿着共轭方向更新参数，重复上述步骤直至达到收敛条件或预设迭代次数。
S253、建立相变热传导边界的热能分布模型，并通过极小值点求解热能分布模型得到热能流点处的热能值；
S254、判断反演的迭代条件是否满足，若不满足时，则继续执行迭代过程；若满足时，则基于热能流点处的热能值并结合时空演变规律分别计算反演梯度、共轭系数、搜索方向及搜索步长；
S255、结合反演梯度、共轭系数、搜索方向及搜索步长的计算结果生成反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演。
S3、记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性。
其中，记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性包括以下步骤：
S31、利用热常数分析仪检测各相变蓄热材料在相变过程中的热物性。
需要说明的是，利用热常数分析仪检测各相变蓄热材料在相变过程中的热物性包括以下步骤：将相变蓄热材料样品制备成适当的形态和尺寸，以符合热常数分析仪的测试要求；将制备好的相变蓄热材料样品放置于热常数分析仪中进行测试，热常数分析仪可以测量物质的热容、热导率等热物性参数；在测试过程中，热常数分析仪会监测样品的温度变化，并记录相变过程中的热量变化。
S32、基于各相变蓄热材料在相变过程中的热物性修正相变热动力学，并预测各相变蓄热材料在相变过程中的物相转变量；
S33、将物相转变量中引入阻滞函数描述相变热传导边界中阻力的热滞，并建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系。
其中，将物相转变量中引入阻滞函数描述相变热传导边界中阻力的热滞，并建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系包括以下步骤：
S331、将物相转变量用于描述相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换的理论机理，并在物相转变量的基础上引入阻滞函数，并利用阻滞函数描述相变热传导边界中的传导延迟；
S332、将阻滞函数与修正后的相变热动力学耦合，明确阻滞函数对物相转变过程的影响程度；
S333、基于物相转变过程的影响程度对相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换进行耦合计算，得到相变蓄热材料的温度场。
需要说明的是，基于物相转变过程的影响程度对相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换进行耦合计算，得到相变蓄热材料的温度场包括以下步骤：将热能、流体和固体的方程耦合起来，建立整体的耦合模型，考虑热传导、流体流动、相变热释放及吸收等因素；利用数值方法确保能够在时空上精确地描述相变蓄热材料的温度场演变初始和边界条件：设置初始条件，即初始时刻相变蓄热材料的温度场，以及边界条件，如外部温度、流体速度等；进行时间步进的计算，结合相变蓄热材料内外热能传递、流体与固体的热交换等，在每个时间步长内更新温度场；根据耦合模型计算得到的温度场数据进行分析，了解相变蓄热材料在不同时刻的温度分布。
S334、基于相变蓄热材料的温度场建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系。
S34、引入阻滞焓来表征相变热传导边界所具有的焓，并利用热能函数判断各相变蓄热材料的相变潜热，同时基于相变潜热判断各相变蓄热材料的潜热特性。
需要说明的是，引入阻滞焓是为了更准确地表征相变热传导边界的特性，在相变过程中，物质经历固液或液气相变时会释放或吸收潜热，阻滞焓是考虑相变过程中这一潜热释放或吸收的焓值。
具体而言，阻滞焓通常用于描述相变蓄热材料的热传导过程，特别是在数值模拟或数学建模中，相变蓄热材料在相变过程中会有一定的阻滞效应，即相变区域的温度变化受到潜热的影响，导致温度场的非均匀性和延迟。
S4、对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料。
S5、分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。
其中，分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况包括以下步骤：
S51、利用有限元技术建立手部的三维模型，并基于防护手套的应用场景在手部关节各处施加实际工作条件下的受力承载情况。
需要说明的是，利用有限元技术并基于手部的几何形状，建立手部的三维几何模型，确保模型的几何形状精确表达真实手部结构；将防护手套的几何形状整合到手部模型中，确保手套与手部的贴合和适应性；根据实际工作条件，确定手部模型的边界条件；模拟实际工作场景中的受力情况，通过有限元技术在手部模型的各处施加加载；利用有限元分析软件进行求解，得到手部模型在实际工作条件下的应力及应变分布。
S52、基于受力承载情况并结合生理学信息模拟手部关节各处的热特性，分析手部关节各处的热响应程度，其中，手部关节包括指尖区域、手掌中心及手背。
其中，基于受力承载情况并结合生理学信息模拟手部关节各处的热特性，分析手部关节各处的热响应程度包括以下步骤：
S521、基于受力承载情况并结合生理学信息建立手部热调节模型，并融合手部的三维模型及手部热调节模型，同时将融合模型划分为被动区域及主动区域；
S522、基于血液循环理论机制将被动区域与主动区域相关联，分析被动区域与主动区域在突加热荷负载下的温度场。
其中，被动区域包括手部几何特性、热传输特性及能量传输机理，主动区域包括控制出汗、血液循环进行手部温度调节。
需要说明的是，分析被动区域的能量传输机理，包括辐射、传导和对流等热传输方式，以确定在突加热荷负载下的温度分布；控制出汗机制建模：考虑手部汗腺的分布和活性，并基于血液循环理论，考虑血管的分布、血液流速和温度调节的生理反应；结合出汗和血液循环，分析主动区域如何调节手部温度；将被动区域和主动区域的模型进行耦合，考虑两者之间的相互影响。
S523、将温度场的控制方程进行转换，并将转换结果通过数值逆变换得到温度场的数值解；
S524、基于温度场的数值解求解热能位移，并判断手部热调节模型中的热驰豫时间和分数阶因子的滞留影响；
S525、基于热驰豫时间和分数阶因子的滞留影响评估手部关节各处的热响应程度。
S53、将各相变蓄热材料的潜热特征与手部关节各处的热响应程度进行性能参数匹配，并根据匹配结果调整相变蓄热材料在防护手套中的分布情况；
S54、基于相变蓄热材料在防护手套中的分布情况判断防护手套内流体流动是否符合热力学守恒定律。
需要说明的是，热力学守恒定律是指在一个封闭系统内，系统的能量总量保持不变的原理，它是热力学的基本原理之一，描述了能量在系统内的转移和转化过程中的守恒性质。根据热力学守恒定律，系统内的能量可以由一种形式转变为另一种形式，但总能量量不会减少或增加。
S55、模拟防护手套的内部以导热的形式进入热流，并模拟加热防护手套内部的微元体以计算热流关系。
需要说明的是，模拟防护手套的内部以导热的形式进入热流，并模拟加热防护手套内部的微元体以计算热流关系包括以下步骤：定义手套外部和内部的热边界条件，包括环境温度、外部导热系数以及手部表面产生的热源；选择防护手套内的微元体位置，即要进行热流计算的具体位置；确定微元体的导热性质、比热容等，以便进行热流关系的计算；模拟手部产生的热源，例如考虑手的新陈代谢产生的热量或其他可能的加热源；计算微元体的温度分布和热流关系；分析手套内部各层的温度分布，特别关注微元体所在位置的温度变化。
其中，热流关系的计算公式为：
；
式中，表示热流关系；/>表示防护手套内部在导热过程中的比热；/>表示防护手套内部进入热流时的比热；/>表示防护手套的孔隙率；/>表示防护手套的相变潜热；/>表示防护手套内部在导热过程中的速度；/>表示防护手套内部进入热流时的速率；表示热力学守恒定律；/>表示时间；/>表示时间变量。
需要说明的是，防护手套内部在导热过程中的比热表示防护手套内部材料的比热容量；防护手套内部进入热流时的比热表示热流模拟过程中考虑的微元体或手部内部特定区域的比热。
S56、制作防护手套的原型，确保相变蓄热材料的正确布局和集成，并测试防护手套在实际工作条件下的热性能。
如图2所示，根据本发明的另一个实施例，还提供一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统包括相变蓄热材料选取模块1、相变过程反演模块2、潜热特性判断模块3、最优特性选取模块4、手部热响应分析模块5；
其中，相变蓄热材料选取模块1依次与相变过程反演模块2、潜热特性判断模块3、最优特性选取模块4及手部热响应分析模块5连接；
相变蓄热材料选取模块1，基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料，其中，实际应用场景包括工作环境温度范围、手部暴露时间及所需隔热性能；
相变过程反演模块2，构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程；
潜热特性判断模块3，记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性；
最优特性选取模块4，对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料；
手部热响应分析模块5，分析手部关节各处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程能够根据环境条件选择合适的相变蓄热材料，确保防护手套在不同温度范围内具有良好的性能，并通过建立传热模型，能够更好地理解相变热传导过程，确保相变蓄热材料的热性能得到充分利用，确定相变过程对防护手套内部热能调节的实际影响，进而提高热保护性能的同时不影响防护手套的舒适性和灵活性；本发明通过记录各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，能够更准确地评估相变蓄热材料的性能，确保选用的相变蓄热材料具有良好的热传导性、相变潜热等特性，提高防护手套的整体热保护性能，同时有助于更精确地预测防护手套在不同环境下的热性能，并进行潜热对比模拟可以直观地比较不同相变蓄热材料的潜热特性，精准判断相变蓄热材料的放热及吸热能力，进而为防护手套的设计和优化提供重要的数据支持；本发明通过分析手部关节处的热响应特征，能够更准确地了解手部关节处的热响应情况，从而调整相变蓄热材料的分布，使手部关节处得到精准而有效的热保护，并且使得防护手套设计更贴合实际使用需求，不同部位采用不同性能参数的相变蓄热材料分布，最大化提高防护手套在各个部位的热保护性能，避免在手部关节处过度增加材料厚度，进而提升防护手套在关键区域的热效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法包括以下步骤：
S1、基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料，其中，所述实际应用场景包括工作环境温度范围、手部暴露时间及所需隔热性能；
S2、构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程；
S3、记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性；
S4、对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料；
S5、分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。
2.根据权利要求1所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程包括以下步骤：
S21、对各相变蓄热材料进行物相分析，判断各相变蓄热材料的热传导及热能分布；
S22、基于相变蓄热材料的热能传导及热能分布，将各相变蓄热材料内部划分为蓄热体区域和热介质区域，其中，所述蓄热体区域用于储存和释放热能，所述热介质区域用于在相变过程中传导和分布热能；
S23、分别为蓄热体区域和热介质区域建立相变热传导模型，并利用焓法对相变热传导模型的热传导过程进行分析；
S24、对相变热传导模型进行离散化处理，并将热传导分析结果结合相变热传导边界对相变蓄热材料的热传导温度场进行划分；
S25、利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演。
3.根据权利要求2所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述利用划分后的热传导温度场并结合时空演变规律建立相变蓄热材料的反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演包括以下步骤：
S251、利用相变热传导边界上的有限数据点测量相变蓄热材料的热能流点，基于热能流点生成待反演的相变蓄热材料的初始反演点；
S252、结合初始反演点的梯度构造共轭方向，并沿着共轭方向搜索目标函数的极小值点；
S253、建立相变热传导边界的热能分布模型，并通过极小值点求解热能分布模型得到热能流点处的热能值；
S254、判断反演的迭代条件是否满足，若不满足时，则继续执行迭代过程；若满足时，则基于热能流点处的热能值并结合时空演变规律分别计算反演梯度、共轭系数、搜索方向及搜索步长；
S255、结合反演梯度、共轭系数、搜索方向及搜索步长的计算结果生成反演方案，实现对相变蓄热材料内部的相变反演。
4.根据权利要求3所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性包括以下步骤：
S31、利用热常数分析仪检测各相变蓄热材料在相变过程中的热物性；
S32、基于各相变蓄热材料在相变过程中的热物性修正相变热动力学，并预测各相变蓄热材料在相变过程中的物相转变量；
S33、将物相转变量中引入阻滞函数描述相变热传导边界中阻力的热滞，并建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系；
S34、引入阻滞焓来表征相变热传导边界所具有的焓，并利用热能函数判断各相变蓄热材料的相变潜热，同时基于相变潜热判断各相变蓄热材料的潜热特性。
5.根据权利要求4所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述将物相转变量中引入阻滞函数描述相变热传导边界中阻力的热滞，并建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系包括以下步骤：
S331、将物相转变量用于描述相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换的理论机理，并在物相转变量的基础上引入阻滞函数，并利用阻滞函数描述相变热传导边界中的传导延迟；
S332、将阻滞函数与修正后的相变热动力学耦合，明确阻滞函数对物相转变过程的影响程度；
S333、基于物相转变过程的影响程度对相变蓄热材料的热能-流体-固体互相转换进行耦合计算，得到相变蓄热材料的温度场；
S334、基于相变蓄热材料的温度场建立相变热动力函数描述与阻滞函数之间的耦合关系。
6.根据权利要求5所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述分析手部关节处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况包括以下步骤：
S51、利用有限元技术建立手部的三维模型，并基于防护手套的应用场景在手部关节各处施加实际工作条件下的受力承载情况；
S52、基于受力承载情况并结合生理学信息模拟手部关节各处的热特性，分析手部关节各处的热响应程度，其中，所述手部关节包括指尖区域、手掌中心及手背；
S53、将各相变蓄热材料的潜热特征与手部关节各处的热响应程度进行性能参数匹配，并根据匹配结果调整相变蓄热材料在防护手套中的分布情况；
S54、基于相变蓄热材料在防护手套中的分布情况判断防护手套内流体流动是否符合热力学守恒定律；
S55、模拟防护手套的内部以导热的形式进入热流，并模拟加热防护手套内部的微元体以计算热流关系；
S56、制作防护手套的原型，确保相变蓄热材料的正确布局和集成，并测试防护手套在实际工作条件下的热性能。
7.根据权利要求6所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述热流关系的计算公式为：
；
式中，表示热流关系；/>表示防护手套内部在导热过程中的比热；/>表示防护手套内部进入热流时的比热；/>表示防护手套的孔隙率；/>表示防护手套的相变潜热；/>表示防护手套内部在导热过程中的速度；/>表示防护手套内部进入热流时的速率；/>表示热力学守恒定律；/>表示时间；/>表示时间变量。
8.根据权利要求7所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述基于受力承载情况并结合生理学信息模拟手部关节各处的热特性，分析手部关节各处的热响应程度包括以下步骤：
S521、基于受力承载情况并结合生理学信息建立手部热调节模型，并融合手部的三维模型及手部热调节模型，同时将融合模型划分为被动区域及主动区域；
S522、基于血液循环理论机制将被动区域与主动区域相关联，分析被动区域与主动区域在突加热荷负载下的温度场；
S523、将温度场的控制方程进行转换，并将转换结果通过数值逆变换得到温度场的数值解；
S524、基于温度场的数值解求解热能位移，并判断手部热调节模型中的热驰豫时间和分数阶因子的滞留影响；
S525、基于热驰豫时间和分数阶因子的滞留影响评估手部关节各处的热响应程度。
9.根据权利要求8所述的一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，所述被动区域包括手部几何特性、热传输特性及能量传输机理，所述主动区域包括控制出汗、血液循环进行手部温度调节。
10.一种用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统，用于实现权利要求1-9中任一项所述的用于防护手套的相变蓄热材料优化选择方法，其特征在于，该用于防护手套的相变蓄热材料优化选择系统包括相变蓄热材料选取模块、相变过程反演模块、潜热特性判断模块、最优特性选取模块、手部热响应分析模块；
其中，所述相变蓄热材料选取模块依次与所述相变过程反演模块、所述潜热特性判断模块、所述最优特性选取模块及所述手部热响应分析模块连接；
所述相变蓄热材料选取模块，基于防护手套的实际应用场景，预选取相变蓄热材料，其中，所述实际应用场景包括工作环境温度范围、手部暴露时间及所需隔热性能；
所述相变过程反演模块，构建与相变蓄热材料相匹配的相变热传导模型，并反演相变蓄热材料内部的相变过程；
所述潜热特性判断模块，记录并分析各相变蓄热材料在相变过程中的热物性，并对各相变蓄热材料进行潜热对比模拟，判断各相变蓄热材料的潜热特性；
所述最优特性选取模块，对各相变蓄热材料的潜热特性进行综合排序，并选取潜热特性最优的相变蓄热材料；
所述手部热响应分析模块，分析手部关节各处的热响应特征，并基于热响应分析结果调整相变蓄热材料在防护手套制作中的材料分布情况。
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