田 苗,李 俊, 2

(1. 東華大學(xué)a. 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院；b. 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室，上海 200051；2. 同濟大學(xué) 上海國際設(shè)計創(chuàng)新研究院，上海 200092)

消防員在執(zhí)行滅火或救援任務(wù)時，常遭受高溫火場、化學(xué)品藥劑、濃煙、有毒氣體等的嚴重威脅，其中火場熱流是造成救援人員燒傷的重要因素[1]。當消防救援人員面臨火災(zāi)環(huán)境時，消防服等熱防護服裝可以減少強熱流對人體皮膚的危害，保障火場作業(yè)人員的生命安全。

消防服充分的熱防護性能是為人體提供有效防護的必要條件，物理試驗和數(shù)值模擬是目前評價和優(yōu)化熱防護服裝或織物性能的重要手段。通過數(shù)值模擬可實現(xiàn)火場環(huán)境和傳熱過程的重復(fù)再現(xiàn)，其主要目的是明確消防服熱防護性能測試過程中的傳熱傳質(zhì)機理，從科學(xué)的角度分析造成人體皮膚燒傷的關(guān)鍵因素[2]，模擬物理試驗尚不能實現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境[3]，以推動消防服測試技術(shù)的發(fā)展。

本文通過對燃燒假人系統(tǒng)進行三維測量和逆向工程建模，結(jié)合傳熱傳質(zhì)和計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)理論，建立三維裸體燃燒假人系統(tǒng)模型，確定模型火場及計算參數(shù)，并應(yīng)用于燃燒室內(nèi)單層和多層消防服模型的建立及模擬，探究消防服在閃火環(huán)境中對外部熱量的阻隔作用及傳熱機制。

1 裸體假人CFD模型的建立及驗證

裸體假人燃燒試驗是著裝假人燃燒試驗的火場校正試驗，建立裸體假人CFD模型的主要作用是根據(jù)物理試驗建立模擬火場。CFD模型建立的關(guān)鍵問題包括幾何模型的建立、網(wǎng)格的劃分、控制方程的建立、初始和邊界條件的確定，以及求解方法的確定。

1.1 燃燒假人系統(tǒng)及試驗

燃燒假人試驗的主要目的是模擬熱流強度大、燃燒時間短的試驗室火場，以通過預(yù)測燒傷表征熱防護服裝或系統(tǒng)的防護性能。本研究利用燃燒假人系統(tǒng)，嚴格按照ASTM F1930和ISO 13506標準要求進行試驗。假人表面共有135個傳感器，覆蓋其頭、手、腳，可以監(jiān)控試驗過程中溫度和熱流密度隨時間的變化。燃燒器有6組共12個，分布在假人周圍，試驗中能夠產(chǎn)生吞沒假人的火焰。

本研究基于裸體假人燃燒試驗，建立裸體假人CFD模型，通過試驗驗證模型的有效性獲得模擬火場環(huán)境參數(shù)，并用于消防服模型的建立。

1.2 數(shù)值假人三維模型的獲取

數(shù)值假人的處理主要包括對點云數(shù)據(jù)、多邊形的處理以及精確曲面的擬合等階段。利用三維人體掃描儀獲取燃燒假人點云數(shù)據(jù)，并將其導(dǎo)入逆向工程軟件，通過檢測體外孤點、減少噪聲點和去除重疊等工具對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。多邊形階段的主要步驟為填充孔，去除特征，網(wǎng)格醫(yī)生，簡化、松弛或砂紙操作，優(yōu)化多邊形用于精確曲面的建立。精確曲面擬合階段需要進行輪廓線、曲面片、格柵及非均勻有理B樣條(non-uniform rational B spline，NURBS)處理等操作。

1.3 燃燒室模型的建立及網(wǎng)格劃分

1.3.1 燃燒室模型的建立

燃燒室內(nèi)部除燃燒假人外主要包括燃燒器和假人腳下金屬板。在對相關(guān)尺寸進行精確測量后，利用Gambit軟件導(dǎo)入經(jīng)過處理的數(shù)值假人，建立燃燒室及細部結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 裸體假人燃燒室?guī)缀文Ｐ虵ig.1 Geometry of flame chamber with nude manikin

1.3.2 燃燒室模型網(wǎng)格劃分

在進行CFD計算之前，需要將計算區(qū)域離散化，即將空間上連續(xù)的計算區(qū)域劃分為多個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點，從而生成網(wǎng)格。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進行離散[4-6]。由于燃燒室實際體積較大，在適當減少網(wǎng)格數(shù)量的同時，對網(wǎng)格進行局部加密，保障計算的準確性。燃燒室內(nèi)數(shù)值假人網(wǎng)格模型由4面體和6面體網(wǎng)格組成。完成網(wǎng)格劃分之后，分別定義邊界和區(qū)域類型。

1.4 基本控制方程

1.4.1 質(zhì)量守恒方程

質(zhì)量守恒定律是指單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量[4]，方程為

(1)

式中：u、v、w為流體在x、y、z方向上的速度分量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s。

1.4.2 動量守恒方程

動量守恒定律是指微元體中流體的動量對時間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和，x、y、z方向的動量守恒方程分別為[4,7]

(2)

(3)

(4)

式中：p為流體微元體上的壓力，Pa；μ為動力黏度，Pa·s；Su、Sv和Sw為廣義源項，J。

1.4.3 能量守恒方程

能量守恒方程是指微元體中能量的增加率等于進入微元體的凈熱流量加體力與面力對微元體所做的功，即熱力學(xué)第一定律，是含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足的基本定律[4]。

(5)

式中：cp為比熱容，J/(kg·K)；ST為黏性耗散項，J；T為溫度，K；λ為導(dǎo)熱率，W/(m·K)。

1.4.4 組分質(zhì)量守恒方程

在一個特定的系統(tǒng)中，若存在多種化學(xué)組分，每一種組分都需要遵守組分守恒定律，即系統(tǒng)內(nèi)某種化學(xué)組分質(zhì)量對時間的變化率等于通過系統(tǒng)界面凈擴散流量與通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的該組分的生產(chǎn)率之和。其中i組分的質(zhì)量守恒方程如式(6)[7]所示。

(6)

式中：Si為組分i的生成率；mi為組分i的體積濃度；ρmi為組分i的質(zhì)量濃度。

1.5 湍流、燃燒及輻射模型

1.5.1 湍流模型

火災(zāi)會形成強烈的湍流運動以及溫度場，伴隨燃燒和輻射傳熱[3]。本文建立的三維瞬態(tài)CFD模型，需要求解三維瞬態(tài)的動量方程。目前三維湍流數(shù)值模擬的方法主要有直接數(shù)值模擬、大渦模擬以及Reynolds平均法(RANS)。常用的RANS湍流模型主要有Reynolds應(yīng)力模型和渦黏模型兩類。渦黏模型中的兩方程模型常用于模擬燃燒和流體流動[8-12]。在燃燒假人物理試驗中，丙烷需要通過燃氣噴嘴進入燃燒器，并與空氣混合，采用Realizableκ-ε模型模擬湍流流動[13-14]，其中湍流動能κ的方程為

(7)

式中：Gκ為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能；YM為可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻；Sκ為用戶自定義源項；σκ為κ的湍流Prandtl數(shù)；μt為修正后的湍流黏度。

湍流耗散率ε的方程為

(8)

式中：σε為ε的湍流Prandtl數(shù)；Sε為用戶自定義源項；C1、C2、C1ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

(9)

與標準κ-ε模型不同的是，Realizableκ-ε模型中的Cμ不是常數(shù)，而是與應(yīng)變率相關(guān)[4]。采用RNGκ-ε模型與標準壁面函數(shù)法模擬湍流流動，模型考慮黏性發(fā)熱和浮力的影響，并對模型進行曲率校正。

1.5.2 燃燒模型

燃燒假人系統(tǒng)的燃料為工業(yè)丙烷，含有90%丙烷、5%丁烷和5%丙烯。CFD模型中采用丙烷-空氣兩步反應(yīng)機制計算燃料的氧化率[15]，其中一氧化碳為中間產(chǎn)物[9]。此外，采用渦耗散燃燒模型模擬化學(xué)組分輸運和反應(yīng)流，該模型對預(yù)測預(yù)混、擴散以及部分預(yù)混反應(yīng)流有效，可用于確定局部反應(yīng)率[10,16]。

1.5.3 輻射模型

輻射傳熱是燃燒室內(nèi)主要的熱傳遞方式之一[3]。在燃燒假人測試中，服裝的降解碳化和燃氣的燃燒會產(chǎn)生煙氣和固體顆粒。本研究采用離散坐標輻射模型(discrete ordinates radiation model，DOM)計算燃燒室內(nèi)的輻射熱傳遞，該模型不僅考慮散射，還可計算氣體和微粒間的輻射熱交換[17]。由于CO2和H2O等具有不同的吸收頻帶，模擬通過灰氣體加權(quán)和模型(weighted sum of gray gases model，WSGGM)計算煙氣的輻射。WSGGM和DOM的結(jié)合可以模擬多維輻射體系，實現(xiàn)非灰氣體輻射換熱的精確模擬[17-18]。

1.5 初始、邊界條件及求解方法

計算域的初始條件和邊界條件是根據(jù)燃燒假人物理試驗設(shè)定的。數(shù)值燃燒室內(nèi)部的初始溫度設(shè)為27 ℃，假定燃燒室內(nèi)充滿空氣，氧氣的質(zhì)量分數(shù)為23%。數(shù)值假人表面為雙側(cè)壁，求解器可以根據(jù)近壁區(qū)的流體域直接計算假人表面的熱傳遞。

基于燃燒假人系統(tǒng)的裸體假人CFD模型在Fluent軟件中計算，采用壓力-速度耦合算法求解耦合動量、能量及組分傳輸方程，瞬態(tài)方程采用一階隱式算法。模型的步長為0.01 s，模擬閃火時間為4 s，共需計算400步。該模型在IBM System x3690 X5服務(wù)器上完成計算，一次運算耗時84.6 h。

1.6 裸體假人CFD模型的驗證

根據(jù)標準要求和物理試驗結(jié)果，采用平均熱流密度、熱流密度分布、絕對熱流差與相對熱流差等指標對該模型進行驗證[19-20]。數(shù)值假人表面的平均入射熱流密度為83.7 kW/m2，平均熱流密度的標準差為16.2 kW/m2，均滿足ASTM F1930和ISO 13506標準的要求。分別提取135個傳感器處的熱流密度，利用Statistics 22.0軟件對試驗和模擬結(jié)果進行顯著水平為0.05的配對t檢驗，試驗與模擬的均值差為-1.69 kW/m2，標準差為16.89 kW/m2，P值為0.25(>0.05)，表明試驗和模擬的熱流密度無顯著差異。各個傳感器處的絕對熱流差和相對熱流差結(jié)果同樣表明，裸體假人CFD模型可以較好地反映實際火場和裸體假人燃燒試驗的過程。此外，文獻[20]也對CFD模型反映效果進行了具體說明。因此，可以將裸體假人CFD模型中的設(shè)定參數(shù)應(yīng)用于消防服數(shù)值模型的建立。

2 消防服系統(tǒng)CFD模型的建立

2.1 消防服三維模型的獲取

為獲取消防服的三維形態(tài)，采用Kevlar?/PBI面料進行單層消防服的制作。標準測試服裝為連體服裝，前門襟裝有防火金屬拉鏈，無口袋，無袖口克夫及腳口克夫，且腰部無松緊帶。服裝結(jié)構(gòu)及尺寸滿足ISO 13506要求。單層消防服的著裝形態(tài)同樣利用三維掃描儀獲取，多層消防服結(jié)構(gòu)則通過在CFD模型中設(shè)置服裝層數(shù)獲得。與裸體假人相同，利用逆向工程軟件對消防服點云數(shù)據(jù)進行處理。獲得服裝NURBS曲面后，導(dǎo)入Gambit軟件建立燃燒室?guī)缀文Ｐ?，并進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 消防服燃燒室?guī)缀文Ｐ虵ig.2 Geometry of flame chamber with clothing

2.2 消防服CFD模型的建立

單層及多層消防服CFD模型的初始、邊界條件及求解方法設(shè)置與裸體假人模型相同，以保證所處火場環(huán)境一致。其中在材料性能參數(shù)設(shè)置時，采用文獻[21-22]中三層消防服的經(jīng)典參數(shù)，如表1所示。單層消防服只采用外層面料(Kevlar?/PBI)數(shù)據(jù)，多層消防服包括外層、防水透濕層及隔熱層。著裝狀態(tài)下服裝領(lǐng)口、袖口和腳口截面面積分別為263.5、88.7和160.0 cm2，其中袖口、腳口處的截面面積為左右兩側(cè)的平均值。在消防防護裝備系統(tǒng)中，頭、手、足部的配套防護裝備能夠顯著降低服裝開口處的熱傳遞。由于消防服CFD模型主要關(guān)注服裝本身對傳熱過程的影響，且僅考慮服裝開口打開的情況，因此，會在一定程度上增大服裝開口部位的熱傳遞，在實際問題中需要進一步考量。本模型同樣利用IBM System x3690 X5服務(wù)器計算。

表1 三層消防服的材料性能參數(shù)

(續(xù)表)

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 消防服內(nèi)、外環(huán)境溫度分布

本文的主要目的是研究消防服對外界熱量的阻隔作用，因此，服裝內(nèi)、外環(huán)境的溫度分布是表征其作用的重要指標。閃火4 s末，消防服在z=0和x=0兩個縱截面的溫度分布，如圖3所示。其中：z=0截面是指將服裝分為前后兩部分的額狀面；x=0截面是指將服裝分為左右兩部分的矢狀面。

圖3 閃火4 s末服裝縱截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution around garment on the longitudinal sections at the end of 4 s fire exposure

由圖3可知：單層和多層消防服的模擬結(jié)果均存在明顯的服裝界面。服裝層及服裝近壁面的溫度均小于外環(huán)境火場溫度。這與面料層面的試驗和模擬顯著區(qū)分為熱源、面料和衣下微環(huán)境不同，消防服內(nèi)環(huán)境的溫度并不完全低于外環(huán)境。消防服腰腹、大腿等軀干部位的溫度顯著低于外界火場環(huán)境，但在肩部、胸部等臨近服裝開口的部位，由于火焰直接進入服裝內(nèi)環(huán)境，產(chǎn)生熱對流，內(nèi)環(huán)境的溫度與外環(huán)境無顯著差異。

閃火4 s末服裝橫截面溫度分布如圖4所示。由圖4可知，肩部、胸部、臀部、膝部的橫截面溫度分布同樣證實了消防服對外界火場向服裝內(nèi)部傳熱的阻礙作用。與閃火4 s末服裝縱截面溫度分布結(jié)果一致，盡管消防服本身的溫度顯著低于外環(huán)境溫度，但由于服裝領(lǐng)部開口的作用，肩部內(nèi)環(huán)境溫度并未顯著降低。但胸部、臀部和膝部等遠離服裝開口的部位，服裝內(nèi)環(huán)境的溫度明顯低于外環(huán)境。與單層消防服的各部位截面處溫度相比，多層消防服內(nèi)環(huán)境溫度較低的區(qū)域更大，表明多層消防服的隔熱性能更好。此外，圖4中的多層消防服具有更加明顯的服裝截面輪廓，說明其自身溫度低于單層消防服。

圖4 閃火4 s末服裝橫截面溫度分布Fig.4 Temperature distribution around garment on the horizontal sections at the end of 4 s fire exposure

阻燃面料的熱防護性能可通過臺式測試獲得，而將阻燃面料制作為消防服等熱防護服裝時，在不同部位發(fā)揮的熱防護功能卻有所不同，其影響因素包括身體部位、服裝開口、外界熱源分布等。本研究通過對閃火過程的模擬，預(yù)測了服裝內(nèi)、外環(huán)境的溫度分布，分析了服裝結(jié)構(gòu)對熱傳遞機制的影響。

3.2 消防服各表面溫度分布

單層消防服內(nèi)外表面溫度分布相似，均是領(lǐng)部、袖口、腳口等服裝開口部位的溫度較高，而大身部位的服裝表面溫度較低，如圖5所示。服裝內(nèi)表面溫度低于外表面，論證了阻燃面料的隔熱作用。由圖3和4截面溫度分布可知，由于火焰會通過服裝開口直接進入服裝內(nèi)環(huán)境，因此導(dǎo)致靠近開口部位的服裝內(nèi)表面溫度升高，同時服裝本身的熱傳導(dǎo)效應(yīng)使服裝高溫區(qū)域增加。因此，消防服合理的開口設(shè)計對其熱防護性能的提升具有重要作用。

圖5 閃火4 s末單層服裝各表面溫度分布Fig.5 Temperature distribution of the single layers garment at the end of 4 s fire exposure

圖6 閃火4 s末多層服裝各表面溫度分布Fig.6 Temperature distribution of the multiply layers garment at the end of 4 s fire exposure

閃火4 s末多層服裝各表面的溫度分布，如圖6所示。由圖6可知，在進行多層消防服面料試驗時，外層面料到內(nèi)層面料的溫度呈梯度降低。而本研究的模擬結(jié)果表明，在服裝層面，外表面、外層/防水透濕層界面、防水透濕層/隔熱層界面的溫度依次逐漸降低；服裝內(nèi)表面的胸部、袖子、腳口等部位的溫度高于防水透濕層、隔熱層的溫度，臀腹部等大身部位則出現(xiàn)服裝系統(tǒng)的最低溫度區(qū)域。該結(jié)果表明，在服裝開口部位，不僅存在閃火外環(huán)境向服裝內(nèi)部的熱傳遞，而且存在服裝內(nèi)表面向服裝外部的熱傳遞，服裝內(nèi)部熱傳遞復(fù)雜，造成內(nèi)表面特殊的溫度分布。

3.3 消防服各層溫度隨時間的變化

為探究單層和多層消防服閃火4 s過程中溫度的變化，提取并計算服裝各層界面的平均溫度，如圖7所示。由圖7可知：在閃火開始階段，由于火焰從燃燒器到達服裝表面需要一定的緩沖時間，在0.5 s之前服裝各表面的溫度并未發(fā)生明顯變化；在0.5～1.0 s，服裝外表面的平均溫度出現(xiàn)躍升，隨后上升速率降低；對于單層消防服，在4 s閃火過程中，服裝內(nèi)表面溫度低于外表面，但溫度差逐漸降低。該結(jié)果表明，在閃火初始階段服裝內(nèi)部熱量積聚，當儲存熱達到飽和后，熱量更迅速地向服裝內(nèi)部傳熱，與此同時，服裝內(nèi)部開口處的溫度也不斷升高，導(dǎo)致服裝內(nèi)外表面溫度差不斷減小。

圖7 單層及多層消防服各表面溫度隨時間的變化Fig.7 Temperature variation as a function of time for single and multiply layers firefighters’ clothing

多層消防服外表面溫度低于單層消防服。文獻[23]表明，Kevlar?/PBI面料在427 ℃左右開始發(fā)生熱解。因此，單層消防服在接近3 s時已發(fā)生降解，而多層消防服外層阻燃面料尚未達到熱解溫度，由此可知，多層服裝具備更穩(wěn)定的熱防護性能。多層消防服的外層/防水透濕層、防水透濕層/隔熱層界面的平均溫度逐漸降低，表明兩層面料具備一定的隔熱性能。

消防服內(nèi)表面平均溫度并非一直低于其他界面溫度。熱暴露0.5～2.8 s時，內(nèi)表面溫度高于中間層界面溫度；熱暴露2.8～4.0 s，內(nèi)表面溫度被外層/防水透濕層界面溫度反超，但仍高于防水透濕層/隔熱層界面的溫度。該結(jié)果表明：閃火初始階段，熱量主要從服裝外表面向內(nèi)表面?zhèn)鬟f，同時從服裝內(nèi)表面的開口部位向外部傳遞；當消防服各層面料儲存熱達到飽和時，服裝內(nèi)外表面溫差最大的為大身部位，熱量主要從外環(huán)境向服裝內(nèi)部傳遞，同時，從服裝內(nèi)表面開口部位向大身部位傳遞。

4 結(jié) 語

本文基于燃燒假人系統(tǒng)及裸體假人燃燒試驗，利用傳熱傳質(zhì)及流體動力學(xué)原理，建立了裸體假人CFD模型，然后對該模型進行驗證并應(yīng)用于燃燒室內(nèi)單層和多層消防服模型的建立及模擬，以探究消防服在閃火環(huán)境中對外部熱量的阻隔作用及傳熱機制。

由模擬結(jié)果可知，服裝的隔熱作用不僅取決于所采用阻燃面料的熱物理性能，同時會受到熱源環(huán)境、服裝開口和服裝層數(shù)等因素的影響。消防服對外環(huán)境向服裝內(nèi)環(huán)境的傳遞具有一定的阻礙作用，且多層消防服裝隔熱作用更好。服裝界面及各層表面的溫度分布表明：服裝大身部位主要存在外環(huán)境向服裝內(nèi)環(huán)境的熱傳遞；而在領(lǐng)部、袖口和腳口等服裝開口部位，由于火焰直接進入衣下空間，并且空氣對流加劇熱傳遞，導(dǎo)致服裝內(nèi)環(huán)境溫度升高，因此，同時存在服裝外環(huán)境向內(nèi)環(huán)境以及內(nèi)環(huán)境向外環(huán)境的熱傳遞。單層及多層消防服各表面的平均溫度隨時間而變化的結(jié)果論證了服裝內(nèi)外表面復(fù)雜的熱傳遞機制。由于消防服層間空氣層與燃燒室存在較大尺度差異，且服裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本研究尚未考慮層間空氣層的情況。此外，阻燃服裝在熱暴露過程中的降解同樣是影響傳熱過程的重要因素之一，未來有必要通過物理試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展深入研究。今后將繼續(xù)關(guān)注服裝開口對衣下微環(huán)境傳熱方式的影響，為消防服的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。