消防服等热防护服装是消防员或其他救援人员面对火灾险情时避免皮肤烧伤、降低生命威胁的重要屏障[1]。据国家消防救援局统计(https://www.119.gov.cn/qmxfgk/sjtj/2023/38420.shtml)，2023年上半年，全国共接报火灾55万起，直接财产损失39.4亿元。在开展消防救援任务时，消防员面临着职业健康风险。科学配备消防装备、提升灾害事故现场风险评估能力是减少消防员灭火救援中伤亡事故的重要手段，对提高消防员的职业防护具有重要意义。
热防护服装的主要作用是隔绝或减少人体和外界环境之间的热量传递，从而使人体保持可承受范围内的温度变化，为受困人员逃出火场提供更多的时间[2-3]。在火灾环境中，普通服装不仅无法对人体提供有效保护，其易燃的性质还会加快火势的蔓延，从而对人体产生附加伤害[4]。热防护服装具有抑制火焰蔓延的功能，不会成为火灾所导致的二次火源。热环境对人体造成的最严重的危害之一是皮肤烧伤。因此，人体皮肤烧伤等级、二级烧伤时间或烧伤分布等是表征阻燃织物或服装热防护性能的主要指标。Rossi等[5]采用能量传递因子更加细致地划分服装的热防护等级。在火灾环境中，以“环境-服装-人体”系统的传热过程为核心，全面解析系统传热机制是提高人体热防护水平的科学方法。
为深入剖析火灾环境下“热源-服装-人体”系统的传热机制，提高热防护服装对消防员的防护性能，本文基于燃烧假人系统和计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)原理，建立了“火灾环境-防护服-人体”三维传热模型，综合分析火灾环境和服装因素对人体皮肤烧伤分布的影响及其演化规律。
1 物理试验及模型验证 1.1 火场环境物理试验本研究采用燃烧假人系统(图 1)进行物理试验，用于建立和验证数值模型。根据测试标准要求，裸体假人燃烧试验是正式着装试验前必须完成的校正试验，目的是确定燃烧器形成的火场具有良好的稳定性，评价指标为假人表面的平均热流密度及其标准差。本研究分别开展裸体假人燃烧试验和着装假人燃烧试验，为CFD传热模型提供验证数据。
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| 图 1 燃烧假人系统示意图 |
1.2 传热模型的建立及验证
通过三维人体扫描仪和逆向工程技术构建服装和人体模型，再根据燃烧室实际尺寸建立含有着装假人的燃烧室几何模型(图 2)，然后利用网格划分软件获得燃烧室网格模型。进一步，建立质量、动量、能量和组分质量守恒方程，根据燃烧室特征确定湍流、燃烧及辐射模型，并设定模型初始条件、边界条件和求解方法，计算着装假人在燃烧室中的传热过程并通过试验验证模型的有效性[6-7]。
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| 图 2 含有着装假人的燃烧室几何模型 |
1.3 烧伤预测模型的建立及验证
燃烧室内着装假人CFD模型不能精确解析皮肤内部传热机制并预测烧伤。皮肤厚度对烧伤预测的精确度具有重要影响[12]。目前的烧伤预测模型均假设人体皮肤厚度均匀分布，无法根据实际人体皮肤厚度对局部烧伤等级作出更为精准的判断。
本研究将人体根据燃烧假人热流传感器位置划分为135个区域并分别设定皮肤厚度，建立了具有实际人体皮肤厚度的皮肤传热模型，能够全面表征热暴露对人体局部的热损伤[8]。皮肤损伤分为3个等级：一级烧伤程度较轻，只发生在表皮层；二级烧伤会达到部分真皮层深度，皮肤起泡变红；三级烧伤会使皮肤弹性变低，并伴随强烈痛感，在患处可能造成永久损伤。皮肤传热模型可与燃烧室内着装假人CFD模型相结合，构建集燃烧室内传热模拟、防护服传热模拟、皮肤内部传热模拟和皮肤烧伤预测为一体的数值燃烧假人系统，准确高效地进行多种热环境条件下的虚拟燃烧假人测试，为阻燃面料的开发、热防护服装的优化和消防员职业防护的提升提供科学指导。
2 人体热防护模拟计算设计 2.1 火灾环境和服装参数的选择人体热防护模拟计算主要是采用建立的数值燃烧假人系统进行大规模的模拟计算。火灾环境和服装是人体热防护研究中的两个关键要素，其中火灾环境条件包括热流密度、热暴露时间、风速状态等多种因素，服装的热防护性能则受面料厚度、表面发射率、热容、导热率、结构款式等影响。研究表明，人体皮肤烧伤等级和面积主要由热流密度与热暴露时间决定，而烧伤程度则取决于吸收的总热量及活细胞的胶原蛋白受热变性坏死的深度[9]。
本研究选取的两个火灾环境因素分别为热流密度和热暴露时间，以此为基础构建实际着装假人CFD模型，该模型与文[7]中的服装的款式结构一致。已有研究[10]表明服装厚度和表面发射率对其热防护性能具有显著影响，Abbott等[11]认为服装层数的增加对服装系统热防护性能产生影响的主要原因是增加了服装的厚度，因此本研究设定不同服装厚度等级。
2.2 模拟参数等级的确定热环境和服装各因素均设定为9个水平，如表 1所示。为便于明确模拟计算各因素的取值，定义如下：热流密度为HF(heat flux)，根据服装表面的入射辐射热流确定；热暴露时间为HE (heat exposure time)；服装厚度为CT(clothing thickness)；服装表面发射率为CE(clothing surface emissivity)。由于对4个因素的9个等级进行全部模拟规模较大，采用IBM® SPSS® Statistics 22 (IBM, New York, USA) 进行4因素9水平的正交试验设计，可容纳所考虑的因素和交互作用，共进行81组(Case 1—Case 81)模拟计算。
| 水平 | 热流密度/(kW·m-2) | 热暴露时间/s | 服装厚度/mm | 服装表面发射率 |
| 1 | 20 | 1 | 0.3 | 0.1 |
| 2 | 25 | 2 | 0.5 | 0.2 |
| 3 | 30 | 3 | 0.7 | 0.3 |
| 4 | 35 | 4 | 0.9 | 0.4 |
| 5 | 40 | 5 | 1.1 | 0.5 |
| 6 | 45 | 6 | 1.3 | 0.6 |
| 7 | 50 | 7 | 1.5 | 0.7 |
| 8 | 55 | 8 | 1.7 | 0.8 |
| 9 | 60 | 9 | 1.9 | 0.9 |
人体热防护模拟计算根据正交试验表编号，依次进行三维CFD传热模拟、皮肤内部传热模拟及烧伤等级和比例的后处理。着装假人模型的三维传热使用20核并行计算，皮肤内部传热使用单核多任务计算，并利用任务调度工具实现批量处理。使用3台联想System x3650 M5服务器(2颗10核Intel® Xeon® E5-2650 v3处理器，128 GB内存)，完成81组模拟计算共耗时812 h。
3 结果与讨论 3.1 热流密度(HF)对皮肤烧伤的影响图 3所示为火灾热暴露结束后一级、二级和三级烧伤面积占服装覆盖人体表面积的百分比。随着热流密度的增大，皮肤表面一级烧伤的比例出现了先升高再降低的现象，主要是由于发生了向二级烧伤的转化。热流密度的增加对二级烧伤比例的影响最为明显，基本为逐渐上升的趋势。热流密度为水平5时，开始出现三级烧伤，且三级烧伤的比例随着热流密度的增大逐渐上升。一级、二级和三级总烧伤比例基本随热流密度的增大而增加，但上升速率逐渐减小，且在热暴露强度水平7到水平9之间达到相对稳定的状态，表明随着热流密度的增加，人体表面总的烧伤比例增加的速度会逐渐减小并趋于平稳。
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| 图 3 热流密度对皮肤烧伤比例的影响 |
图 4所示为热暴露结束时的人体正面和背面的烧伤分布。其中：灰色区域未被服装覆盖，不分析其烧伤情况；黄色、红色和深红色分别代表一、二、三级烧伤。当火场热流密度为20 kW/m2时，人体表面出现的烧伤较少，受到服装开口的影响，少数模型在颈部和小臂出现一级或二级烧伤。当火场热流密度上升为25 kW/m2时，大部分模型在颈部和小臂处出现一级或二级烧伤，而在服装厚度最小、热暴露时间较长的Case 8(HF2, HE8, CT1, CE4; 即热流密度水平2，热暴露时间水平8，服装厚度水平1，服装表面发射率水平4)中出现的二级烧伤较多，且集中在人体的上半身和大腿处。火场热流密度为30 kW/m2的模型中，出现二级烧伤较多的Case 12(HF3, HE6, CT1, CE7)和Case 16(HF3, HE9, CT2, CE5)同样是服装厚度最薄且热暴露时间相对较长的情况，说明服装厚度对人体热防护具有一定的作用。对于热流密度较高的两组，热流密度为55 kW/m2时，无烧伤出现及烧伤比例较少的两组模型分别为Case 46(HF8, HE1, CT3, CE7)和Case 28(HF8, HE2, CT9, CE6)，这两组模型的热暴露时间分别为1 s和2 s，且烧伤出现的部位在颈部、小臂和小腿等服装开口附近；当热流密度为最大的60 kW/m2时，仅有热暴露为1 s的Case 61 (HF9，HE1，CT4，CE3)无烧伤出现。
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| 图 4 热流密度对皮肤烧伤分布的影响 |
3.2 暴露时间(HE)对皮肤烧伤的影响
图 5所示为不同热暴露时间条件下，各级烧伤面积占服装覆盖人体表面积的百分比。随着热暴露时间的增加，不断有热量向人体皮肤传递，皮肤烧伤更为严重。人体皮肤表面达到一级烧伤的比例出现了上升和下降交替出现的现象，表明随着暴露时间的增加，不断有人体部位出现一级烧伤，同时有部位从一级烧伤转化为二级烧伤。二级烧伤的比例随着暴露时间的增长而不断升高，且在热暴露7 s时出现明显减小，与此同时，三级烧伤的比例相应增加，表明该时间点是二级烧伤向三级烧伤转变的临界点。
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| 图 5 热暴露时间对皮肤烧伤比例的影响 |
总烧伤比例基本随热暴露时间的增加而增大，但在暴露时间水平7和水平9时与趋势不一致，这两种情况下出现的三级烧伤比例较高。根据真实皮肤厚度分布可知，人体上身和下肢的皮肤厚度不同，出现了烧伤及烧伤等级转化阈值的不一致[12]，这是造成烧伤比例并不完全随暴露时间的增加而增大的原因之一。
当热暴露时间为1 s时，9组模型人体表面均未出现烧伤。当热暴露时间为2 s时，所有模型均出现烧伤，且集中在颈部、小臂和小腿。当热暴露时间增加到8 s时，Case 19(HF7, HE8, CT4, CE6)和Case 53(HF8, HE8, CT8, CE8)中服装覆盖的人体表面全部出现烧伤(图 6)，出现部分烧伤的模型主要分布在人体的上半身。热暴露时间9 s的烧伤分布与8 s类似。通过分析发现，热暴露时间较长时，人体出现烧伤的部位集中在上半身，主要原因是火焰的发展以及热气流的积聚和上升导致燃烧室内上半部分的温度升高。
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| 图 6 热暴露时间对皮肤烧伤分布的影响 |
3.3 服装厚度(CT)对皮肤烧伤的影响
不同服装厚度条件下，一级、二级和三级烧伤面积占服装覆盖人体表面积的百分比如 图 7所示。随着服装厚度的增加，人体皮肤表面一级烧伤比例的变化具有一定波动性，但波动范围较小。二级烧伤仍然在各服装厚度情况下占有较大的比例，且二级烧伤比例基本随服装厚度的增加而减小。二级烧伤比例在服装厚度水平1到水平3之间下降较大。
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| 图 7 服装厚度对皮肤烧伤比例的影响 |
服装厚度对烧伤分布的影响也较为显著。当服装厚度为0.3 mm时，大部分模型人体表面出现烧伤，且Case 3(HF8, HE4, CT1, CE5)和Case 51(HF7, HE9, CT1, CE2)全部出现了二级或三级烧伤(图 8)，这些模型的热流密度较大或热暴露时间较长。当服装厚度为最大的1.9 mm时，热流密度为最大且热暴露时间最长的Case 68(HF9, HE9, CT9, CE9)仍然全部出现二级或三级烧伤，且其他热流密度较大或热暴露时间较长的模型也出现了烧伤，说明在本研究中，火场因素的影响比服装厚度更显著。
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| 图 8 服装厚度对皮肤烧伤分布的影响 |
3.4 服装表面发射率(CE)对皮肤烧伤的影响
图 9所示为不同服装表面发射率条件下，各级烧伤面积占服装覆盖人体表面积的百分比。通常认为减小服装表面发射率可以降低皮肤烧伤[13]。本文对不同热暴露条件下的服装表面发射率研究表明，总烧伤比例随服装表面发射率的升高没有明显规律。与织物的平面状态不同，服装在穿着状态下各部位表面之间、服装表面与热源之间存在不同角度，从而影响服装表面的实际入射热流。Frankman等[14]研究表明，在森林火灾中对流同样是重要的传热方式。对于处在火灾中心的人体，热对流、热辐射和热传导以一定比例进行组合，而服装表面发射率仅能表征假人表面对辐射热的吸收比例。另外，前期研究表明火灾环境中热传递方式会随着时间的推移不断变化[15]，本研究采用的燃烧时间为1~9 s，同样是导致服装表面发射率对烧伤比例无显著影响的重要原因。
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| 图 9 服装表面发射率对皮肤烧伤比例的影响 |
大部分服装表面发射率为0.1的模型人体表面出现的烧伤面积较小，且在颈部或小臂处，如Case14(HF5, HE6, CT2, CE1)。然而，热流密度为60 kW/m2，热暴露时间为8 s的Case 64(HF9, HE8, CT3, CE1)则全部为二级或三级烧伤(图 10)。当服装表面发射率为0.9时，热暴露时间为1 s的Case 34(HF4, HE1, CT6, CE9)未出现烧伤，该模型的热流密度较小，服装厚度较厚。
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| 图 10 服装表面发射率对皮肤烧伤分布的影响 |
4 结论
开展消防服热防护性能试验及数值模拟研究的目的是提高对消防员的职业防护、减少或杜绝皮肤烧伤。本文利用数值燃烧假人系统，从环境条件和服装因素两方面对火灾环境中的人体热防护进行了综合应用研究，定量分析了火场热流密度、热暴露时间、服装厚度和服装表面发射率4个因素对人体表面皮肤烧伤比例及分布的作用机制。正交模拟计算的结果表明：
1) 随着热流密度和热暴露时间的增加，总烧伤比例呈升高趋势。人体各区域皮肤厚度不同导致烧伤等级转化阈值的差异，是造成烧伤比例不完全随暴露时间增加的原因之一。明确安全作业时间或距离对消防员职业安全具有指导作用。
2) 服装因素对烧伤比例的影响与织物的研究结果不同。服装在穿着状态下，各部位表面之间、服装表面与热源之间存在的不同角度会影响服装表面的实际入射热流。对于处在火灾中心的人体，热对流、热辐射和热传导以一定比例进行组合，而服装表面发射率仅能表征假人表面对辐射热的吸收比例。
3) 系统分析烧伤等级分布发现，人体颈部、小臂和小腿等服装开口位置最易发生烧伤，因此在消防服设计方面需对服装开口位置加强设计。
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