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热防护服装热传递数学建模及参数决定反问题

潘斌  
【摘要】: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.本文主要是对单层热防护服装热传递模型进行介绍,此外,我们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.主要内容如下:第一章,介绍了热防护服装的研究背景和意义、国内外的研究现状,并且对本文主要内容和创新点进行了简要描述.第二章,介绍了热防护服装的热传递模型建立过程,研究了热防护织物在高温条件下热传导和热辐射传热机制的作用,引入了用实验法确定的织物Nomex的热传导系数、单位体积热容量系数随温度变化的经验公式,分析了织物与热源之间的热交换边界条件,最终确立了热防护织物的热传递模型,并且给出了数值分析和计算,通过数值结果和已有实验论证的模型作比较,证明了提出模型的合理性.第三章,在前面提出的热防护服装的热传递数学模型的基础上,结合空气层模型和皮肤模型,构成“热防护服装-空气-皮肤”完整的系统.这部分完整的给出了织物和皮肤之间空气层的模型以及表皮、真皮、皮下组织的热传递数学模型,并且对整个系统进行了数值离散,给出了正问题的计算结果.第四章,对于热防护服装而言,设计反问题的目标就是在尽量减少甚至不产生热损伤的情况下,决定系统的相关参数.基于第三章“热防护服装-空气层-环境”系统正问题模型的分析,我们将目标点设在基底层(表皮和真皮的接触面),以保证基底层未达到二级烧伤为目标,我们给出了热防护服设计反问题的一种合理提法,并数值求解了相应的反问题.第五章,介绍了在反演一类抛物型方程初始值的过程中,我们为了求解极小化泛函,结合伴随变分引入一种变形TV正则化的方法.文中对极小目标泛函的存在唯一性和稳定性进行了理论证明和分析,并通过具体算例说明了方法的有效性.第六章,我们对本文的创新点等进行了总结,并提出一些可继续研究的方向。


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