在工业生产、社会生活的火灾、爆炸等灾难性事故中,消防员通常遭遇多种热灾害威胁,主要包括火焰、热辐射、高温液体和蒸汽等。消防服是消防作业人员进行紧急救援必备的一类个体防护装备,其防护性能的好坏直接关系到消防员的生命安全。然而,据研究报道,消防员大约65%的皮肤烧伤属于烫伤,这是由于高温蒸汽、高温液体的渗透所导致。过去的研究中,消防服的热防护性能通常在干态热暴露条件下进行评价,能够对火焰、热辐射的危害提供一定的防护作用,但并未考虑环境水分对消防服热防护性能的影响,因此消防服未能提供有效的蒸汽防护性能。本文正是以此为出发点,建立多环境、多功能实验舱,模拟火灾环境下高温蒸汽热暴露的情形,以评价消防服的热湿防护性能,探究消防服蒸汽热防护性能的影响因素,完善在复杂火灾环境条件下热防护装备的性能评价方法;从微观分析入手,建立“热湿环境-多层织物-空气层-皮肤组织”之间的热湿传递模型与数值仿真平台,探究消防服内部的热湿传递规律以及皮肤蒸汽烫伤的作用机理,从而提出辐射烧伤与蒸汽烫伤的防护措施,最大限度地优化消防服的热防护性能。本文的主要研究内容与结论包括以下几点:(1)火灾高温蒸汽热防护性能测评装置的研发本课题搭建的热防护性能测评装置,包括蒸汽发生器、蒸汽输送管、热暴露模拟箱、样品输送装置和数据采集系统。首次实现了在高温辐射、高温蒸汽火灾环境下织物系统的热防护性能测试,同时其创新性也体现在辐射热通量、蒸汽条件的控制以及空气层厚度的设置等方面。通过实验装置标定与多种实验方案测试验证了测评装置的有效性及准确性,从而能够用以评价不同织物系统、不同空气层厚度在复杂火灾环境下的热湿防护性能,弥补了现有织物热防护性能测评装置的局限性。(2)消防服织物系统热湿防护性能的研究基于研发的热防护性能测评装置,选取了7种不同配置的织物系统,阐明了在干态与湿态热暴露条件下,织物热湿防护性能的差异性,分析了织物热湿防护性能的影响要素。研究表明,高温蒸汽能够明显减小织物系统在辐射热暴露条件下的热防护性能,影响程度取决于织物系统的厚度与透气性。同时,高温蒸汽能够明显增加热暴露阶段的总热量传递,其中蒸汽传热占热暴露阶段总传递热量的比例为50.5%-77.7%,但高温蒸汽对冷却阶段的热量传递没有显著性影响。另外,不同织物层对织物系统蒸汽热防护性能有不同程度的影响,其中防水透气层织物的嵌入明显提高了织物系统的蒸汽热防护性能,主要取决于织物的透气性、蒸汽渗透速率,而隔热层织物主要通过增加织物的厚度与减小织物对蒸汽的吸收,提高织物系统的蒸汽热防护性能。(3)空气层厚度对织物蒸汽热防护性能的影响制作了不同厚度的空气层垫片,选取空气层的厚度范围为0-24mm,探究了空气层厚度对在干态与湿态热暴露条件下织物热湿防护性能的影响,定量表征了空气层内部的热传递规律,从而更加完善地评价了空气层的热防护性能。研究发现,空气层厚度的增加明显提高两种热暴露条件下织物系统的热防护性能,但却阻碍了在干态热暴露条件下冷却阶段的皮肤散热过程,与湿态热暴露条件下冷却阶段的皮肤散热无显著性关系。同时,空气层厚度的增加改变了空气层内部的热传递方式,在干态热暴露条件下空气层内部发生自然对流传热的最小空气层厚度在6-9 mm,而高温蒸汽的传递增加了空气层内部发生自然对流传热的空气层厚度。不同空气层厚度条件下,皮肤在热暴露阶段吸收的热能量与二级烧伤时间存在高度相关性,从而可以利用皮肤吸收的总能量大小表征织物系统的热防护性能高低。(4)高温蒸汽与人体出汗对织物热防护性能的综合影响根据ASTM F2731-11标准提出的人体出汗模拟方法,选用了4种预湿水平以模拟消防员在火灾环境下的不同出汗程度,调查了外界蒸汽与人体出汗对消防服热防护性能的交互影响,比较了干态与湿态热暴露条件下织物系统内部的水分分布状态及流动方向。研究发现,织物系统含水量的增加提高了湿态热暴露条件下织物系统的热防护性能,对干态热暴露条件下织物系统的热防护性能存在积极或消极的影响,这是因为水分在织物系统整个热暴露过程中呈现不同的角色,主要取决于织物含水量与热暴露时间。另外,水分在织物系统内部的传递存在双向传递,在干态热暴露条件下水分向外界环境的蒸发量略微多于向模拟皮肤传感器的蒸发量,其总蒸发量随着初始含水量的增加而增加;而在湿态热暴露条件下,织物系统向模拟皮肤传感器的蒸发量明显大于干态热暴露条件下向模拟皮肤传感器的蒸发量,意味着织物系统向模拟皮肤传感器的水分蒸发量不仅来源于织物初始含水量,同时也来源于外界环境蒸汽的传递,说明典型的消防服系统未能有效地阻止蒸汽的渗透。(5)消防服系统热湿耦合模型及数值仿真平台的建立基于纺织材料的热传递特性,建立了干态热暴露条件下消防服系统的热传递模型,利用辐射视角系数模拟了从热源到织物表面的入射热流量,基于Beer定律与双通量辐射模型模拟了织物内部辐射的吸收、穿透、反射以及织物自发射过程,同时模拟了不同空气层厚度下空气层的热传递过程,通过耦合皮肤生物传热与皮肤烧伤积分模型,能够有效地预测干态热暴露条件下不同织物系统的皮肤烧伤时间。基于建立的消防服系统辐射热传递模型,研发了消防服系统热湿耦合模型,其创新之处在于分别模拟了织物内部固/液相与气相的热传递过程,考虑了水分的扩散、达西流动、相变、吸湿/解吸过程对热传递的影响,基于射流传热传质模型模拟了蒸汽的流动。利用研发的火灾高温蒸汽热防护性能测试平台,验证了不同配置织物系统模型预测结果的精确性,从而研发了消防服热湿传递数值仿真平台。基于研发的仿真平台分析了不同热暴露条件下织物系统的热湿传递机制与皮肤烧伤作用原理,调查了蒸汽热暴露参数与织物基本性能参数对消防服热防护性能的影响,研究发现:高温蒸汽的存在明显减小了在干态热暴露条件下的辐射与对流/传导传热,这是由于高温蒸汽限制了织物内部温度的增长。在湿态热暴露条件下,皮肤表面水分的相变传热是导致皮肤发生烧伤的主要原因,预示着皮肤烫伤的存在,而在干态热暴露条件下,皮肤表面的辐射传热是导致皮肤烧伤的主要原因。另外,热暴露环境中的高温蒸汽存在积极或消极作用,当热暴露环境中蒸汽压力与蒸汽温度处于较低水平时,高温蒸汽能够提高织物系统的热防护性能,相反则能够加快皮肤的烧伤。本课题对干态与湿态热暴露条件下消防服的热防护性能与皮肤烧伤成因进行了深入的研究,可以发现:在湿态热暴露条件下减少蒸汽的渗透与织物系统内部的蓄积是提高消防服蒸汽热防护性能的关键因素,主要取决于织物系统的孔隙结构、吸湿性与初始含水量。在干态热暴露条件下,减小织物系统的辐射与传导传热是优化消防服热防护性能的重要途径,与织物系统的热物性参数有关。另外,织物系统厚度与衣下空气层厚度的增加能够同时提高在两种热暴露条件下消防服的热防护性能。因此,本课题的研究结论与方法为热防护新型材料的研发、热防护装备的科学筛选提供了理论依据与指导,对于提高消防作业的安全性具有非常重要的意义。