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高温热辐射环境中人员热防护机理与热安全评估研究

博士研究生:付明

指导教师:袁宏永 教授

所属院系:工程物理系

论文摘要

救援人员在执行火灾救援任务时，经常暴露于高温热辐射环境中。高温热辐射是救援人员发生伤亡和热应激的主要威胁。热防护服是保障救援人员免受热辐射威胁的重要装备。如何正确评估热防护服的热防护性能，科学评估人员生命安全状况是公共安全领域一项重要的研究课题。本文主要研究工作和成果如下：

本文基于锥形加热器建立了一套测量高温热辐射下防护服热阻的小尺寸实验平台，提出了测量高温热辐射环境下防护服热阻的方法。定量分析了热辐射强度、湿传递以及空气层厚度和位置等因素对热阻测量的影响。通过对织物层的表面温度与热辐射强度进行拟合，得到了热辐射环境下热阻的预测公式，用于获取热辐射环境中服装热防护性能的参数。

本文利用暖体假人测量了高温热辐射环境中防护服热阻和湿阻，与常温测量的热阻和湿阻进行对比，结果表明高温下防护服的总热阻比常温下大幅减少。此外定量分析了热辐射环境下防护服的热湿传递过程，研究发现出汗速率和热辐射强度与假人散热量和皮肤表面温度之间存在线性关系。建立了防护服热阻和湿阻的拟合计算公式。这些拟合公式可以为高温热辐射环境下热应激预测提供所需的服装物性参数。此外，对比分析了小尺寸和暖体假人两种实验方法用于研究热辐射条件下防护服热湿传递过程的差异性和特点。

本文考虑湿气对热辐射的吸收作用，建立了多层纺织物的热湿传递模型，对含有空气层的热防护服的热湿传递过程进行了数值模拟，预测温度分布和蒸发速率之间的关系。考虑皮肤出汗伴随的蒸发和扩散等传质过程，建立了皮肤传热传质模型，用于准确预测皮肤温度分布。将防护服的热湿传递模型与皮肤模型结合起来，建立了基于模型预测的皮肤烧伤和死亡风险评估的方法，预测了不同火灾场景下人员皮肤烧伤等级和死亡风险。

在伯克利人体热反应模型的基础上，考虑人体与服装之间热湿交换过程以及服装对水分的吸收作用，建立了适用于高温热环境下人体-服装-环境之间传热传质模型，为热应激评价提供准确的人体核心温度、皮肤温度和出汗量等热生理参数。通过调研不同热应激阶段下人员的热安全信号，建立了基于人体-服装-环境的热湿传递模型预测的热应激评价方法，预测了不同火灾救援场景下人员的热应激水平，为事故救援和人员防护提供科学的数据支持。