2018A
高温作業服のデザイン
高温作業服は高温火傷を避けることができ、実際の作業で広く使用されています。この論文は、高温作業服の最適設計を研究し、作業服の熱伝達プロセスを分析し、さまざまな熱伝達方法、境界および初期条件を包括的に考慮し、非定常一次元熱伝達モデルを確立し、それを最適化に適用します。作業服の厚みのあるデザイン。
問題 1 の場合: 熱伝達モデルの特性を解析することにより、3 次元問題を 1 次元問題に単純化し、非定常熱伝達過程を研究します。主に熱伝導と熱対流の2つの熱伝達方法を考慮し、エネルギー保存則に基づく偏微分制御方程式群を確立し、初期値条件と境界値条件を決定し、非定常一次元熱伝達の数学的記述を取得します。作業服の加工工程。最小二乗の原理に基づいて、測定された温度に適合する最適化モデルが確立され、未知のパラメーターの最適な推定を解決します。有限差分法を使用して層ごとに方程式を解き、最初の層と 4 番目の層の熱伝達係数のパラメータ推定値を検索によって取得します: 113W/(m2・k) および 8.344W/(m2・k) k) それぞれ。次に、パラメータの推定値を使用して温度分布を計算し、Excel ファイルを生成します。モデルを拡張し、輻射熱伝達を考慮して熱輻射を無視する合理性を確認します。両端の熱伝達係数は 113W/(m2・k) と 8.496 W/(m2・k) です。これは、熱伝達プロセスに対する熱放射の影響が無視できることを示しています。
問題 2: 最適化目標として第 2 層の最小厚さをとり、60 分以内の最高温度、44°C を超える時間および厚さ範囲の制約を考慮して、厚さ調整のための一変量最適化モデルを確立します。モデル解を制約臨界値解問題に変換すると、第 2 層と第 4 層の最小厚さはそれぞれ 17.5mm、このときの最高温度は 44.0799℃、44℃を超える時間は5分。理論と結果の分析から、最高温度に対する第 2 層の材料の影響は二次的な要因であり、厚さの増加が主に熱伝達率に影響を与えると結論付けられます。問題 3: 快適性、経済性、性能の安定性、研究開発効率などの要素を考慮し、最適化目標として 2 層目と 4 層目の最小厚さをとり、最高温度は 30 分以内、時間は 44°を超えるなどの制約を組み合わせます。 C および厚さ制限 、作業服設計の多目的最適化モデルを確立します。解く過程で、多目的問題は単一目的問題に変換され、第 2 の解法に従って問題を解くことにより、2 層目と 4 層目の最適な厚さ設計が得られます: 19.2 mm と 6.4それぞれmm。このときの最高温度は44.7721℃で、44℃を超える時間は5分未満です。モデルを拡張して熱伝達プロセスにおける材料の各層のさまざまな影響を研究すると、次のことがわかります: 材料の 2 番目の層は熱伝達プロセスを遅らせることができ、長期の作業環境に適しています。材料の 4 番目の層は熱を強化します。断熱性能が高く、高温作業環境に適しています。最後に、この論文で確立したモデルを議論および分析し、モデルを総合的に評価し、改善と普及の方向性を提示します。
キーワード：非定常一次元熱伝達過程有限差分法最適化モデル
1 質問の再説明
1.1 問題の背景 高温作業服は、高温環境で作業する際の火傷を防ぐことができます。高温作業服の設計では、火傷を避けるだけでなく、研究開発コストを最小限に抑え、研究開発サイクルを短縮する必要もあります。設計プロセス中に、ダミー人形を高温環境に置き、皮膚の外側の温度を測定します。設計目的を達成するには、ダミースキンの外側の温度情報に基づいて高温作業服の非定常熱伝達モデルを構築し、そのモデルを使用して温度分布と作業を解く必要があります。服のデザイン。この問題には次のような特徴と要件があります。
(1) 防護服は 4 層に分かれており、そのうち I、II、III 層は布地でできており、IV 層は布地と皮膚の間の空隙であり、I 層は外部環境と直接接触しています。 。
(2) ダミー内部の温度は 37℃で一定です。
(3) 異なる時間ノードでの熱伝達を反映するために、非定常熱伝達モデルを確立する必要があります。
(4) 火傷を避け、研究開発のコストとサイクルを考慮した設計を目的としています。
1.2 問題の解決
この論文では、問題に基づいて数学モデルを確立し、次の問題を解決するための解決方法を設計します。
質問 1: 付属書 1 の衣服の材質パラメータと各層の厚さに従って、さまざまな熱伝達方法を総合的に考慮して、作業服の非定常熱伝達モデルが確立されます。付属書 II の測定された温度値に従って、熱伝達モデルの関連パラメーター値を推定し、温度分布を計算します。
問2：問1と異なり、問2では周囲温度を65℃に変更し、第4層の厚みを5.5mmとしています。60 分間の作業、最高温度は 47°C を超えず、44°C を超える時間は 5 分未満という制約条件で、材料の 2 番目の層の厚さを最小限に抑えることを目的とした最適化モデルが確立されます。 、非定常熱伝達モデルを使用して最適設計を解決し、結果と理由を分析します。
問 3: 問 3 は 2 層目と 4 層目の厚み設計を同時に考慮する必要があり、制約条件は最高温度 47℃、高温時間 5 分未満です。2層目と4層目の厚さの最適設計問題をモデル構築により解決する必要がある
2 問題分析
高温作業服の設計問題は本質的に、さまざまな熱伝達方法を包括的に考慮し、作業服の非定常熱伝達モデルを確立し、それを温度分布とパラメータの最適化問題の解決に適用することです。モデルの核心は、熱伝達モデルの確立と応用にあります。
2.1 問題点 1 の分析
質問 1 では、各層の材料の厚さと周囲温度が示されています。そして、このテストにより、ダミーの皮膚の外側の温度変化情報が得られました。温度分布を解くためには、トピック情報に基づいてさまざまな熱伝達方法や境界条件を総合的に検討し、完全な熱伝達モデルを確立する必要があります。モデル構築プロセスにおいて未知のパラメータについては、熱伝達モデルを通じてパラメータと測定温度との数値関係が記述され、解いて得られた最適なパラメータがその後の解法プロセスで使用されます。作業服の熱伝達モデルは非定常熱伝達を考慮しています。つまり、温度と時間の関係を確立し、熱伝達プロセス全体の特定の時間記述を取得し、非定常熱伝達の温度分布と熱伝達特性を記述する必要があります。状態プロセス。
2.2 問題点 2 の分析
2 番目の問題は、本質的には 1 番目の問題の非定常熱伝達モデルに基づくパラメータ最適化モデルです。目標は、2 番目の層の最適な厚さを見つけることです。ここでの最適化では、製造コストを可能な限り小さくし、厚さの最小化を最適化目標とし、皮膚外の温度と44℃を超える時間を制約条件としてワークの最適設計を解く必要があります。条件を満たす服装。
2.3 質問 3 の分析
問3では第4層の厚み設計が追加されており、研究開発・生産コスト、衣服のかさ高性、人体の快適性などを総合的に考慮して多目的最適化モデルを確立する必要がある。最高温度制約と高温時間制約を満たす条件の下で、非定常熱伝達モデルによって最適設計を解きます。熱伝達プロセスと作業服の実用化をさらに研究するために、モデルはさらに拡張されました。
3 モデルの仮定 仮定 1: 作業服の水蒸気や汗の蒸発などの熱と物質の移動プロセスは考慮しない; 仮定 2: 人の皮膚の外側の温度は、第 4 層 (空気) の下層温度で表されます。仮定 3: 接触表面は考慮されません。接触熱抵抗、接触表面界面は連続していると考えられます。仮定 4: 他の不均一熱源や熱伝達プロセスを考慮せず、一次元の熱伝達問題に単純化します。仮定 5: 人体は絶対的な黒体、つまり放射線放射率は 1
5 モデルの準備
5.1 背景知識
5.1.1 熱伝達方法
熱力学プロセスにおける熱伝達には 3 つの基本的なモードがあります。
(1) 熱伝導：微細粒子の熱運動によって発生する熱エネルギー伝達。熱伝導は固体、液体、気体の内部熱伝達に存在し、主にフーリエの法則に基づいて計算されます。
(2) 熱対流:流体の巨視的な運動によって引き起こされる熱伝達プロセス。主に流体と物体の接触面の間の熱交換を考慮し、ニュートンの冷却公式に基づいて計算されます。
(3) 熱放射: 物体は電磁波を通じてエネルギーを伝達します。これはどの物体でも発生する可能性があります。
5.2 モデルの寸法と座標の確立 高温作業服と人体は幾何学的に 3 次元モデルです。しかし、この熱伝達の問題については、 (1) 境界条件が均一に分布しているため、熱伝達は一方向、つまり皮膚表面に対して垂直にのみ見なすことができ、熱はあまり意味がありません。そこで、簡略化を考慮し、作業服の外層から皮膚表面までの熱伝達過程のみを検討するための一次元熱伝達モデルを構築し、次のように座標系を設定する。
5.3 輻射熱伝達 作業服の熱伝達モデルでは主に第 4 層と皮膚表面を通る作業服の輻射熱伝達効果を考慮する。皮膚と作業着の間の空間は閉じた空洞とみなすことができます。空気層が薄いため輻射熱の吸収が少なく、空気吸収の影響を無視すると、作業服と皮膚表面間の輻射熱伝達は[1]のように定義されます。
5.4 各層の熱伝達方法 熱伝達の問題では、多くの場合、熱伝導、熱対流、熱放射の 3 つの異なる熱伝達方法を総合的に考慮する必要があります。熱伝達方法にはそれぞれの特徴と適用可能な状況があります。したがって、各層の材料と境界条件を検討して、独自の熱伝達方法の必要性を決定します。(1) 第 1 層材料 材料の第 1 層では、材料の内部は主に熱伝導の形で存在し、材料の外側境界と外部境界との間の境界条件であるフーリエの法則に従ってモデルが確立されます。環境は境界条件の 3 番目のタイプで、対流熱伝達プロセスです。(2) 第 2 層の材質 第 2 層の材質は、熱伝導の伝熱モードのみを考慮すればよい。(3) 材料の 3 層目は、材料の 3 層目の内部の熱伝導です。空気の 4 層目は薄いため、接触面での対流熱伝達は考慮されず、熱伝導のみが考慮されます [2]。(4) 4 層目の材料は 4 層目の材料内部の熱伝導のみを考慮しており、材料の右側の境界は人体と接触しており、人の皮膚の下には多数の毛細血管血流があるため、右側の境界は 3 番目のタイプの境界条件であり、対流による熱伝達が考慮されています。
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