第三节 热防护服传热模型回顾

早期研究者已对防护或服装暴露于强热流下的热量传递进行数值模拟分析，各模型预测的传热机制及边界条件的假设都不一致。目前最常用的热防护服或织物的传热模型主要有托尔维（Torvi）模型、吉布森（Gibson）模型和梅尔（Mell）的消防服装传热模型。

一、托尔维（Torvi）“织物―空气层―铜片热流计”系统传热模型

托尔维（Torvi）对火场环境下“织物―空气层―铜片热流计”的系统传热模型进行了系统的研究，在该领域做出了显著的贡献，以至于后续研究者所建立的关于消防服或织物传热模型都是建立在该模型理论研究基础之上。1997年，托尔维（Torvi）研究了薄型纤维质物质在强热流环境下传热特性，并针对于ASTM D-4108所描述的测试方法和装置建立了“织物―空气层―铜片热流计”系统传热模型，该模型仅涉及水平封闭有限空间传热，即织物与铜片热流计之间为水平空气夹层传热，但它综合考虑了火源与织物、织物与热流计之间的对流与辐射耦合换热，而且在织物传热模型中引入了织物的高温热降解变化产生相变潜热（内热源）一项。由于托尔维（Torvi）主要针对于薄型单层织物建立了传热模型，因此没有考虑织物内部对流换热因素，从而还不能运用于多层或者厚型织物传热，另外，该模型没有考虑水分对织物传热的影响。

托尔维（Torvi）模型将织物外表面参与辐射换热分为三个部分：织物和燃烧气体之间辐射换热、织物与外界环境辐射换热以及织物与燃烧器辐射换热。因此，达到织物表面的辐射能量：

式中：σ——史蒂芬-玻尔兹曼常数；

ε_g、ε_f和ε_b——分别是燃烧气体、织物和燃烧器的辐射系数；

T_g、T_f、T_a和T_b——分别是燃烧气体、织物的外表面、外界环境空气及燃烧气体的温度；

F_a和F_b——织物与外界环境空气及织物与燃烧器的角系数；

A_f和A_b——分别是织物和燃烧器表面积。

而织物与热流计之间的辐射换热量为：

式中：T_s、ε_s和A_s——分别是热流传感器的温度、辐射系数和表面积；

F_s——织物与热流计之间的角系数。

二、吉布森（Gibson）热湿传递多相模型

1994年，吉布森（Gibson）根据惠特克（Whitaker）的多孔介质热湿传输耦合理论，提出了纺织服装材料的热湿传递模型。他把含湿织物认为是一个由固体（聚合物等）吸附凝结水、液态水和气态水组成的三相结构体，如图1-15所示。

图1-15 多孔介质三相结构示意图

根据质量守恒、能量守恒及动量守恒定律，对传热、传质（液相、气相）现象进行数学分析，建立起能够合理反映各种不同结构相织物温度场，湿分浓度场及气相总压场变化规律的三场机制模型。吉布森（Gibson）基于纤维、空气和水分组成的三维区域对纤维集合体进行了湿分分布模拟计算，并考虑了各相传导热传输，气、液相对流换热及水分迁移对服装材料热湿传递的影响，能量守恒方程式可表达如下：

式中：〈〉——所有相的单位体积；

ν——表示流速；

Δh_νap——液态水的蒸发热；

K_eff——温度传感器当量导热系数；

m_lν、m_sl和m_sν——分别为液体从固体上解吸附、气体从固体上解吸附以及液体蒸发质量流量。

三、梅尔（Mell）消防服传热模型

2000年，美国马里兰州盖瑟斯堡市国家标准和技术研究所的威廉·E·梅尔研究了模拟轰燃前火灾的辐射环境，即到达服装外层的辐射能量为2.5kW/m²的多层消防服装传热模型。与托尔维模型相似的是，该模型也考虑到了服装材料吸收辐射衰减特征。同时没有考虑水分的影响，假设服装外层或内层没有达到足以使织物熔化或发生热降解的温度，服装假定为平面几何形状，热在此平面系统内的传递是一维的，对流传热假设只发生在防护服套装的外边界上，因此支配能量守恒方程式为：

在基尔霍夫定律的基础上建立织物辐射方程，分析材料边界的辐射通量，采用控制容积法离散方程式（1-14），获得织物上温度数值解。

四、其他模型

在热防护服传热模型方面拓展比较成功是加拿大阿尔伯特大学的宋国文教授，他将单层或多层织物的一维平面有限差分模型运用于着装的燃烧假人传热性能的仿真模拟，预测了人体皮肤二级烧伤所需时间，形成了人体不同部位的烧伤情况分布图，这也是研究者首次将平面模型应用于防护服整体热防护性能的预测。其后，美国北卡州立大学的Chitrphiromsri等人在宋国文等人所建的干态模型（不含湿分）的基础上，建立了火场高温环境下多层织物一维耦合热湿传递模型，获得了服装层内温度和湿度的分布情况，模拟预测了人体烧伤。