服装、环境系统动态热湿传递数值模拟

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1、DOI:10.13475/j.fzxb.2004.05.008第25卷第5期纺织学报Vol.25,No.52004年10月JournalofTextileResearchOct.,2004人体、服装、环境系统动态热湿传递数值模拟刘迎曦李凤志罗钟铉李毅(大连理工大学工程力学系,大连,116024)(大连理工大学应用数学系)(香港理工大学纺织及制衣学系)摘要:建立了人体-服装-环境系统的动态热湿传递模型。对Stolwijk人体热调节模型进行了改进,考虑到了汗水的积聚过程,并结合织物热湿耦合模型,用于人、服装、环境系统的瞬态热湿传

2、递过程的数值模拟。在模型中,考虑了纤维对湿的吸附与解吸过程及其对热传导率、热容的影响,以及相变导致的热生成及释放。实验表明了模型的良好预测性能。关键词:人体热调节热湿耦合模型数值模拟服装环境系统中图分类号:TS941.15文献标识码:A文章编号:0253-9721(2004)05-0024-04应用数学模型模拟人体热湿行为,已广泛地应1.1被动系统用于医学、航空、航天、潜水、空调设计、“人-机-环人体被动系统由6个圆柱(球)节段(头、躯干、境”系统工程等各个领域。本文的研究是从地球环臂、手、腿和足)组成。每一个圆柱(球)节段

3、又分成境下人体着装舒适性的角度出发的。4层:内核、肌肉、脂肪和皮肤。每一层假设具有相[1]人体热调节数学模型,由简单的一点模型、两同的温度,故每一层可以看做一个点。循环系统通[2,3][4～6]点模型逐渐发展成多结点模型、多单元模过一个中心血池同每一部分连接,表示大动脉、静[7,8][4]型。以Stolwijk模型为代表的多结点模型,以脉。中心血池同每一部分的热交换是通过血液流动计算简单、精度可以满足工作需要而在工程中得以以对流的方式进行的。中心血池也可以看做一个广泛采用。但Stolwijk模型未能考虑皮肤表面汗水点,故该模

4、型也称之为25节点人体热调节模型。积聚,认为人体分泌的汗液全部蒸发,这样的着装条对于每一层,热平衡方程可以写成如下形式:件是不符合实际的。汗水在人体表面的积聚对人体dTnCp,n=的热湿舒适感的评价有直接的影响,应该给予考虑。dt人体热调节模型提出后,为了考虑服装对人体的影Mn-Bn-Kn-Rn-Cn-(En+Eres)[2]响,早期研究者采用对传输系数乘以服装影响因n=1,2,…,24(1)[7,8]子的方法,考虑比较粗糙。近期研究者应用式中,下标n表示第n个组织层,Cp,n表示热容[9]Farnworth提出的服装整体模

5、型,与人体热调节模(W·s℃),Tn表示温度(℃),t是时间(s),Mn表示型进行联合,实现了动态模拟,但Farnworth服装整代谢热生成(W),Bn表示血液流动引起的热损失体模型是一个热阻和湿阻模型,未能考虑纤维吸附(W),Kn、Rn、Cn分别为传导、辐射、对流引起的热损(解吸)水分对导热系数及热容的影响。失(W),En、Eres分别表示由皮肤表面蒸发和呼吸引纤维对湿的吸附与解吸,是服装热湿舒适性研起的热损失(W)。在Stolwijk模型中认为人体分泌究所要考虑的核心问题。一方面,纤维对湿的吸附的汗液全部蒸发,忽略了汗水

6、在人体表面的积聚,这与解吸要放热和吸热;另一方面,纤维含水量对吸湿在着装人体上是不符合实际的。本文采用Jones[6]性较大的纤维组成的织物的导热系数及热容有重要提出的汗水积聚计算方法对Stolwijk模型进行改进,[10]影响。对着装的动态热湿舒适性研究来说,这两由皮肤表面向周围环境蒸发的热量由下式计算:方面的影响都是不容忽略的,在模拟中应当很好地Psk,i-Pea,iEi=Si(2)给予考虑。Rea,i针对上述问题,本文对Stolwijk模型进行了改式中,下标i表示第i个节段,Psk,i、Pea,i分别表示第进,并且结合

7、服装热湿耦合模型,对人、服装、环境系i个节段处皮肤表面和皮肤周围环境的水蒸汽分压统进行了动态数值模拟。2(Pa),Si为第i个节段的面积(m),Rea,i表示第i个21人体热湿调节系统数学模型节段处皮肤表面空气层的蒸发热阻(m·PaW)。当在Stolwijk人体热调节模型中,人体的热系统分国家自然科学基金资助项目(10072014),高校博士点专项基金资助为被动系统和主动系统两个部分。项目(2000014107)。2004年第5期纺织学报【25】[6]皮肤表面没有汗积聚时,2.2质量守恒方程Psat,iRea,i+Pea,i

8、Resk+mrswhfgRea,iReskCaCfDPsk,i=(3)ε+(1-ε)=div(-ma)(9)Rea,i+Resktt(如果Psk,i>Psat,i那么Psk,i=Psat,i)其中,ε为孔隙率,Ca为纤维间孔隙中的蒸汽浓度33式中,Psat,i表示第i个节段处皮肤温度下的饱