韓如冰

(蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)隴橋?qū)W院,甘肅蘭州 730101)

1 Chitrphiromsri的熱防護(hù)服裝模型

當(dāng)人們處于高溫工作環(huán)境時(shí),必須穿著熱防護(hù)服裝以避免灼傷。專用熱防護(hù)服裝一般由三層織物材料構(gòu)成,其中第一層為外界環(huán)境接觸層,第二層為主要隔熱層,第三層為皮膚接觸層,同時(shí)它與皮膚之間的空隙我們可記為第四層[1]。基于此服裝材料結(jié)構(gòu),人們?cè)诮鹘y(tǒng)高溫作業(yè)專用服裝數(shù)學(xué)模型時(shí),大多數(shù)應(yīng)用Chitrphiromsri的熱防護(hù)服裝模型,Chitrphiromsri模型如下[3]:

但由于材料的密度、比熱、熱傳導(dǎo)率、環(huán)境溫度、服裝層厚度,工作時(shí)間等均為影響熱防護(hù)服裝性能的重要因素,且這些因素之間除了常見線性關(guān)系外,更多的存在著復(fù)雜的非線性關(guān)系,因此,用數(shù)學(xué)、物理等傳統(tǒng)方法對(duì)這一問題進(jìn)行研究就有了一定的限制性。

2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型優(yōu)化

2.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦的結(jié)構(gòu)和智能特點(diǎn),由大量簡(jiǎn)單神經(jīng)元構(gòu)成,解決問題時(shí)不需要事先確定對(duì)象之間的映射精確模型,僅通過大量原始數(shù)據(jù)的訓(xùn)練,挖掘出對(duì)象內(nèi)在的變化規(guī)則[4],最終在給定輸入值時(shí)、得到最接近期望值的輸出描述。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按誤差反向傳播訓(xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)[5],被較為廣泛地應(yīng)用在紡織工業(yè)研發(fā)中。

2.2 模型優(yōu)化

結(jié)合Chitrphiromsri的熱傳遞模型,通過對(duì)比(1)和(2)兩個(gè)模型,我們發(fā)現(xiàn),這兩個(gè)模型的各項(xiàng)條件除了輻射項(xiàng)之外其它都相同,因此我們?cè)跀?shù)值模擬中將采用相同的初邊值條件。

在得到的模型優(yōu)化中,我們根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層多神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)特征,設(shè)定輸入層分為7個(gè)神經(jīng)單元,分別為時(shí)間、分層、密度、比熱、熱傳導(dǎo)率、厚度人的體表溫度;輸出層為3個(gè)神經(jīng)單元,為服裝的熱傳遞性能參數(shù),分別為克羅值、單位厚度克羅值、保暖率;隱含層設(shè)計(jì)為單層6-18個(gè)神經(jīng)單元[2]。

在整體樣本集中,我們隨機(jī)抽取1000個(gè)樣本,作為訓(xùn)練樣本,使用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中的Levenberg-Marquardt優(yōu)化方法,對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。再隨機(jī)抽取剩余樣本中的150個(gè)樣本,作為檢驗(yàn)樣本,最終找出不同的服裝層參數(shù)與時(shí)間、假人皮膚外側(cè)溫度之間的映射關(guān)系,描述出高熱環(huán)境下熱防護(hù)服裝的熱傳遞規(guī)律(圖1)。

3 基于BP的三層熱防護(hù)服裝熱傳遞模型建立及問題求解

我們根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得出的不同服裝層參數(shù)與時(shí)間、假人皮膚外側(cè)溫度之間的映射關(guān)系,及高熱環(huán)境下熱防護(hù)服裝的熱傳遞規(guī)律,建立基于BP的三層熱防護(hù)服裝熱傳遞模型。專用熱防護(hù)服裝一般由三層織物材料構(gòu)成,其中第一層為外界環(huán)境接觸層,在這里我們假設(shè)該熱防護(hù)服裝內(nèi)部?jī)蓪又淮嬖跓醾鲗?dǎo)。由此,基于BP的三層熱防護(hù)服裝熱傳遞模型可以寫成:

這里,CAshl,CAmsr,CAlin分別是第Ⅰ層,第Ⅱ?qū)雍偷冖髮拥娘@熱容;T是溫度;t是時(shí)間;x是水平坐標(biāo);kshl,kmsr,klin分別是是第Ⅰ層,第Ⅱ?qū)雍偷冖髮拥臒醾鲗?dǎo)率;Fl,Fr分別是向左和向右的輻射量;Ωi表示關(guān)于x取值范圍,i=1,2,3,4,5,其中Ω1=(0,Lshl),Ω2=(Lshl,Lshl+Lmsr),Ω3=(Lshl+Lmsr,Lfab),Lfab=Lshl+Lmsr+Llin,texp是暴露在閃火環(huán)境中的時(shí)間。

熱輻射量滿足:

第Ⅱ?qū)拥淖筮吔鐥l件:

Ⅰ層與Ⅱ?qū)又g的接觸面:

Ⅱ?qū)优cⅢ層之間的接觸面:

Ⅳ層的右邊界條件:

圖1 基于附件二的BP模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of BP model based on Annex 2

其中,q_(air，rad)是來自層背面的熱輻射;k_air是空氣的熱傳導(dǎo)率。

輻射和對(duì)流的熱通量可以描述成:

其中,qconv是到Ⅰ的熱對(duì)流密度;qrad是到Ⅰ的熱輻射密度;hc,fl是和Ⅰ表面之間的熱對(duì)流系數(shù);Tg是火焰溫度。

最后,我們根據(jù)傅里葉熱流定律,得到一維平面熱傳導(dǎo)速率方程:

綜合考慮以上模型和數(shù)據(jù)擬合方程,利用MATLAB仿真得到最終的溫度區(qū)域分布圖(圖2)。

4 模型的優(yōu)點(diǎn)

(1)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)找出不同的服裝層參數(shù)與時(shí)間、假人皮膚外側(cè)溫度之間的映射關(guān)系,以描述高熱環(huán)境下熱防護(hù)服裝的熱傳遞規(guī)律,對(duì)Chitrphiromsri的模型進(jìn)行優(yōu)化,建立了基于BP的三層熱防護(hù)服裝熱傳遞模型。

(2)我們結(jié)合給定服裝材料的物理參數(shù)和幾何參數(shù),如熱傳導(dǎo)率、密度、比熱等,以及外界環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度的組合,利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型前向有反饋的無環(huán)模型特征[3],僅需通過參數(shù)的調(diào)整,即可計(jì)算出不同環(huán)境溫度,工作時(shí)長(zhǎng)條件下服裝層厚度。降低研發(fā)成本,縮短研發(fā)周期。

圖2 溫度區(qū)域分布圖Fig.2 Temperature distribution map

5 模型的缺點(diǎn)及改進(jìn)

本文所建立的高溫作業(yè)服裝－空氣層－假人皮膚的系統(tǒng),在各個(gè)環(huán)節(jié)尚有許多需要完善的地方。該基于BP的三層熱防護(hù)服裝熱傳遞模型在建立時(shí),忽略了濕傳遞這一在高溫條件下往往具有重要影響的因素。今后,將考慮濕傳遞對(duì)熱防護(hù)服裝的影響,進(jìn)一步對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化。