王松庆于艳红满效强陈亮

(1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨，150040；2.东北林业大学野生动物资源学院，哈尔滨，150040)

飞鼠(Pteromysvolans)是分布在中国新疆阿尔泰山、东北地区、内蒙古东部等地的亚高山针叶林的啮齿目动物。哺乳动物作为恒温动物，其毛皮在调节自身产热和散热的动态平衡中起着重要的作用，为动物适应复杂多变的气候环境、提高自身生存分布提供了必要的条件。毛皮的热物性参数是反应动物毛皮保温性能的最直观的数据，国外在动物毛皮传热性能领域上的研究起步较早，一些学者利用自己研发制造的毛皮热工性能测试设备对动物毛皮的热物性参数进行了定量的实验测试研究。Scholander等人将南极地区哺乳动物的毛皮固定于两夹板之间，同时加热两夹板到相同的温度后，将一侧置于零摄氏度的环境中，对南极地区不同哺乳动物毛皮的保温性能进行了研究[1]。Boyles等人利用恒温水浴向金属板提供固定热量的方法来使金属板保持稳定的温度来模拟动物的恒定体温，通过对不同毛皮的热流密度以及毛皮内外表面温差的测定推算出毛皮传热系数，用此方法对不同地区的老鼠腹部毛皮在不同温度、风速、季节条件下的热工性能进行研究[2]。国内关于动物毛皮的热工性能研究和国外相比较晚，目前还处于探索研究阶段。程志斌等人对漠河地区人工养殖的北极狐(Alopexlagopus)冬季毛皮性状与保温效果的关系进行了研究。研究结果表明北极狐不是通过降低毛细度的方式来增加毛密度以达到加强保温效果的目的，而是通过改变被毛在皮肤内的分布格局来增加毛密度，并且将有髓质的绒毛分为上下两层来改变毛皮空间结构。这两种策略均提高了毛皮内滞留空气的含量，加强了毛皮的保温性能，从而适应高纬度地区的寒冷气候[3]。郑雷等在借鉴国外相关研究方法和技术的基础上，设计了动物体被稳态过程热物性参数测试平台。通过此测试平台对小兴安岭地区夏季及冬季时的黄鼬东北亚种(Mustelasibiricasibirca)雌性、雄性成体毛皮的热工性能进行了尝试性研究。研究结果表明黄鼬东北亚种雌雄个体毛皮的热工性能存在差异。与此同时，黄鼬在不同季节时毛皮的热工性能也存在差异，冬季毛皮的保温性能要优于夏季毛皮保温性能[4-5]。华彦对黄鼬东北亚种毛皮热力学特性及影响因素进行了进一步研究[6]。但由于毛皮结构及传热的复杂性，基本物性参数随时间、环境的变化而变的复杂多变，至今仍然没有统一的测定方法和标准。本文通过自建毛皮热物性参数测试平台，对分布于大兴安岭北部地区冬季飞鼠的毛皮热工性能开展实验研究，采用热流密度、总传热系数等评价指标的基础上，进一步采用导热系数这一指标对评价动物毛皮热工性能的热物性参数指标进行量化研究，研究结果可以作为解释飞鼠安全越冬的重要理论依据。

1 实验平台构建

本实验采用的实验平台，可完成对标准样品基本热物性参数的测试。该测试平台主要由4部分组成：温度及热流密度测定系统、计算机数据采集处理系统、温度自动控制系统和风速变频控制系统，测试系统各组成部分如图1所示，测试原理与步骤详见文献[7]。

图1 测试系统示意图Fig.1 The schematic of test system

2 实验材料与步骤

2.1 实验材料获得及取样

以捕获的大兴安岭北部地区冬季越冬飞鼠为研究对象，此次捕获飞鼠得到了中国野生动物保护协会的批准，共捕获5只成体飞鼠，体重在86.7 ～99.7 g之间，平均值为(93.8±4.0)g。将剥离后的毛皮自然展开铺平，用夹子固定边缘放置于室内遮阳处自然干燥。在飞鼠臀部割取100 mm×50 mm的毛皮作为待测试样，实验前将试样拍打恢复至自然蓬松状态。

2.2 实验步骤

2.2.1 待测试样的放置

实验时将蓬松的毛皮试样放置于测试小室内部凹槽内，为了避免毛皮加热后发生卷曲现象，用3 mm厚的有机玻璃板加工成10 mm×50 mm×100 mm的边框，实验时压于毛皮试样边缘以增强毛皮与均热板之间的接触。

2.2.2 测试平台的运行

开启计算机打开数据采集软件设定采样参数，将冰水混合物放入保温装置以作为热电偶的温度参考零点，开启超级恒温水浴设定热板温度为38℃，开启风机使风道内的风循环后再开启压缩机制冷装置，待整个测试平台运行稳定后开始采样。实验过程中小室内的温度和风速由布置的测点测得，并可以由风速变频器调节风速、制冷装置和铂热电阻共同实现对温度调节。实验结束后，先关闭制冷装置，让风机继续运转半个小时以上以防止室内空气进入风道内部后与冷空气相遇发生水蒸气凝结现象。

2.2.3 数据处理

实验过程中数据采样间隔为300 s，即采集的每一个数据为300 s内的平均值，待系统进入稳态后取8组采样的数据作为有效数据进行分析处理。

3 实验过程原理及结果分析

本研究在充分参考前人总结的经验，采用通过毛皮的热流密度q及毛皮传热系数K这两项指标来表示风力和温度这两个因素对毛皮热工性能的影响程度。在此基础上，研究温度对毛皮热工性能影响时引入导热系数λ这一热物性基本参数指标对实验数据做进一步处理，以求达到更合理地评价飞鼠毛皮的热工性能。

3.1 风力对飞鼠毛皮热工性能的影响

在探究风力对飞鼠毛皮热工性能影响的研究中，未开启制冷设备，温度为室温(20±0.9)℃，恒温水浴温度设定为38℃，风速由手持风速仪测定并由风速变频器实现0～100%内的无级调节。风速范围为0～4.82 m/s(即vmax=4.82 m/s)，风速采用变频器的调节量来表示。当流体流过与之接触的固体壁面时将会发生热量传递，该现象称之为对流换热，对流换热量的计算公式如(1)所示：

q=hΔt

(1)

式中，q：热流密度，W/m2；h：为对流系数，W/(m2·℃)；Δt：温差，℃。

在风力作用下，快速流动的空气与动物毛皮之间将发生对流换热。因此风力作用是影响动物与外界发生热量交换的重要因素。风速对毛皮热流密度的影响如图2所示。由图2可知，当风速为全风速的0%，即为无风状态，毛皮与空气将以自然对流换热的形式进行热量交换，由于自然对流的驱动力较小换热量也小，因此热流密度比有风力作用时要小，总样本热流密度平均值仅有34.14 W/m2。当风速逐渐增大，即风力作用越来越强时，热流密度随之增大，范围在36.74～70.71 W/m2间。风速较低时，此时自然对流和强迫对流同时发生，但此时自然对流现象占主导地位。但当风速逐渐增加到一定值后，此时强迫对流换热量超过自然对流换热量成为换热的主要途径。

图2 风速对毛皮热流密度的影响Fig.2 The effect on heat flux density of fur with wind speed

仅采用热流密度这一物性参数指标来评价毛皮的热工性能还不足以全面地反映毛皮的保温性能。根据能量守恒原理，通过毛皮的传热量和毛皮与周围空气之间的对流换热量相等，即如公式(2)所示。

q=hΔt=KΔt

(2)

式中，K：毛皮传热系数，W/(m2·℃)。

为了更加全面地反映毛皮的保温性能，研究风速对毛皮传热系数的影响如图3所示。由图3可知，毛皮的传热系数在4.96～6.27 W/m2之间。毛皮传热系数随风速的增加而变大。产生之一现象的原因是随着风速的增大，风力作用越来越强，毛皮在风力的作用下由静止状态变为了扰动状态，其毛皮原有结构在风力的作用下被改变后使得毛皮的保温性能变差。

图3 风速对毛皮传热系数的影响Fig.3 The effect on heat conductivity of fur with wind speed

3.2 温度对飞鼠毛皮热工性能的影响

温度是影响生物生存的又一重要环境因子。恒温动物在环境温度随季节、地理位置等条件发生急剧变化时要保持体温的相对恒定，温度这一因素对其生存、分布的影响显得尤为重要。热量传递的动力则是物体内部或者物体之间存在温度差。研究温度对飞鼠毛皮热工性能影响的工作中，开启制冷设备，温度设定为5档：-20℃、-10℃、0℃、10℃和20℃，恒温水浴温度设定为38℃，风速设定为1 m/s。温度对飞鼠毛皮传热系数影响的实验结果如图4所示。由图4可知，外部温度变化时，样本的传热系数在5.25～5.76 W/m2范围内波动。在上一小节研究风力作用对飞鼠毛皮传热系数影响中，飞鼠毛皮传热系数在风速1 m/s时的范围为5.28～5.36 W/m2，二者可以较好地吻合。当物体的几何参数已知时，其传热系数就已经确定，和温度并无直接关系。传热系数的变动是由于实验样本的差异、实验误差和实验中风力作用下毛皮结构被改变所造成的。

图4 温度对毛皮传热系数的影响Fig.4 The effect on heat conductivity of fur with temperature

温度对毛皮传热系数的影响如图5所示。通过毛皮的热流密度q为毛皮传热系数与毛皮内外表面温度差的乘积。由图可以看出热流密度随着实验温度的降低而增大，由公式(2)可知这是由于实验过程中提供热量的超级恒温水浴温度设置为恒定温度，即热源温度一定，毛皮的传热系数又为定值，当环境温度不断下降时温差增大所致。

图5 温度对毛皮热流密度的影响Fig.5 The effect on heat flux density of fur with temperature

4 实验结果及毛皮保温机理讨论

在引入热流密度、毛皮传热系数这两项指标后，对毛皮的保温性能进行评价时仍存在不足之处。例如，对于不同物种或同一物种在不同季节的毛皮而言，虽然可以测出热流密度、传热系数这两项指标，但测出的数据都是基于测试样本自身特定的厚度这一前提条件，不同物种毛皮的厚度一般是不同的，有时相差甚大。仅采用热流密度、传热系数这两项指标无法排除毛皮厚度的干扰。郑雷等人对黄鼬东北亚种毛皮的保温性能进行了研究[5]，为说明仅采用热流密度、毛皮传热系数这两个指标的局限性，在此引用文献[5]研究中有关冬季黄鼬毛皮性能的部分数据结果与本研究中进行比较。两物种热流密度和传热系数平均值的对比分别如图6和图7所示。

热流密度越大，表示通过毛皮的热量越多，则保温效果越不理想。通过对两物种毛皮的热流密度随环境温度变化的对比结果如图6所示。由图6可知，森林型黄鼬及丘陵型黄鼬的毛皮热流密度均大于通过飞鼠毛皮的热流密度，这说明飞鼠毛皮的保温性能要优于黄鼬的毛皮保温性能。材料的传热系数越小，则表示材料的保温性能越强。两物种的传热系数随环境温度变化的实验数据对比如图7所示。由图7可知飞鼠毛皮的传热系数要大于森林型黄鼬及丘陵型黄鼬的毛皮传热系数，这说明黄鼬的毛皮保温性能要优于飞鼠毛皮的保温性能。

图6 温度对两物种毛皮热流密度的影响Fig.6 The effect on heat flux density of two species fur with temperature

图7 温度对两物种毛皮传热系数的影响Fig.7 The effect on heat conductivity of two species fur with temperature

由对两物种热流密度及传热系数的对比分析，得出了两个完全相悖的结论。因此在采用热流密度和传热系数这两项指标后还不足以客观地评价毛皮的性能，为此，本研究中进一步引入导热系数这一参数以期达到更加全面客观地评价毛皮热工性能的目的。作为物质基本热物性参数的导热系数是表征物体热传导能力大小的物理量，符号用λ表示，单位为W/(m·℃)。其物理意义是指物体在单位厚度具有单位温度差值情况时，物体在单位面积内每单位时间传递的量。两物种不同温度下毛皮导热系数平均值对比图如图8所示。由图8可知，通过对[5]研究结果中有关冬季黄鼬毛皮性能的部分数据整理后得到森林型黄鼬毛皮在不同实验温度下导热系数在区间(0.949，0.953)W/(m·℃)，丘陵型黄鼬毛皮在不同实验温度下导热系数的范围为(0.951，0.957)W/(m·℃)，而本研究飞鼠毛皮在不同温度下的导热系数在区间(0.053，0.058)W/(m·℃)内。由导热系数可见飞鼠毛皮的导热系数要比黄鼬毛皮的导热系数小一倍，因此飞鼠毛皮保温性能更好。

综合考虑对流系数、导热系数以及热流密度这3个毛皮的基本热物性指标，可以得出飞鼠毛皮保温效果优于黄鼬。黄鼬毛皮的传热系数之所以比飞鼠毛皮的传热系数小，是因为黄鼬毛皮的厚度在25 mm左右，而飞鼠的毛皮厚度仅在10 mm左右，黄鼬毛皮保温性能在这一指标上优于飞鼠毛皮是以牺牲数量为前提的。优越保温性能的毛皮对于飞鼠在气候条件恶劣的冬季安全越冬至关重要。

图8 两物种不同温度下毛皮导热系数Fig.8 The heat conductivity of two species fur with different temperature

5 结论

本文通过动物毛皮热物性参数测试装置，对采集于大兴安岭北部地区越冬飞鼠毛皮的热工性能进行了实验研究。在充分参考借鉴前人关于动物毛皮研究成果和经验的基础上，采用了热流密度、毛皮传热系数这两项评价指标。在研究过程中发现了仅采用这两项指标的局限性，并举例分析了问题的所在。进一步引入导热系数这一基本热物性参数作为评价动物毛皮保温性能的又一项指标。通过实验研究了风力及温度这个因子对飞鼠毛皮热工性能的影响。实验测得飞鼠毛皮的导热系数的范围在区间(0.053，0.058)W/(m·℃)内。证明了飞鼠毛皮是一种性能良好的保温材料。其性能甚至比一些建筑常用的保温材料还要优越。保温性能优越的毛皮对于飞鼠在气候条件恶劣的冬季安全越冬至关重要。