對于人體,服裝,環(huán)境系統(tǒng)動態(tài)熱濕傳遞數(shù)值模擬

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1、DOI:10.13475/j.fzxb.2004.05.008第25卷第5期紡織學報Vol.25,No.52004年10月JournalofTextileResearchOct.,2004人體、服裝、環(huán)境系統(tǒng)動態(tài)熱濕傳遞數(shù)值模擬劉迎曦李鳳志羅鐘鉉李毅(大連理工大學工程力學系,大連,116024)(大連理工大學應用數(shù)學系)(香港理工大學紡織及制衣學系)摘要:建立了人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)的動態(tài)熱濕傳遞模型。對Stolwijk人體熱調(diào)節(jié)模型進行了改進,考慮到了汗水的積聚過程,并結(jié)合織物熱濕耦合模型,用于人、服裝、環(huán)境系統(tǒng)的瞬態(tài)熱濕傳遞過程的數(shù)值模擬。在模型中,考慮了纖維對濕的

2、吸附與解吸過程及其對熱傳導率、熱容的影響,以及相變導致的熱生成及釋放。實驗表明了模型的良好預測性能。關鍵詞:人體熱調(diào)節(jié)熱濕耦合模型數(shù)值模擬服裝環(huán)境系統(tǒng)中圖分類號:TS941.15文獻標識碼:A文章編號:0253-9721(2004)05-0024-04應用數(shù)學模型模擬人體熱濕行為,已廣泛地應1.1被動系統(tǒng)用于醫(yī)學、航空、航天、潛水、空調(diào)設計、“人-機-環(huán)人體被動系統(tǒng)由6個圓柱(球)節(jié)段(頭、軀干、境”系統(tǒng)工程等各個領域。本文的研究是從地球環(huán)臂、手、腿和足)組成。每一個圓柱(球)節(jié)段又分成境下人體著裝舒適性的角度出發(fā)的。4層:內(nèi)核、肌肉、脂肪和皮膚。每一層假設具有相[1

3、]人體熱調(diào)節(jié)數(shù)學模型,由簡單的一點模型、兩同的溫度,故每一層可以看做一個點。循環(huán)系統(tǒng)通[2,3][4～6]點模型逐漸發(fā)展成多結(jié)點模型、多單元模過一個中心血池同每一部分連接,表示大動脈、靜[7,8][4]型。以Stolwijk模型為代表的多結(jié)點模型,以脈。中心血池同每一部分的熱交換是通過血液流動計算簡單、精度可以滿足工作需要而在工程中得以以對流的方式進行的。中心血池也可以看做一個廣泛采用。但Stolwijk模型未能考慮皮膚表面汗水點,故該模型也稱之為25節(jié)點人體熱調(diào)節(jié)模型。積聚,認為人體分泌的汗液全部蒸發(fā),這樣的著裝條對于每一層,熱平衡方程可以寫成如下形式:件是不符合實

4、際的。汗水在人體表面的積聚對人體dTnCp,n=的熱濕舒適感的評價有直接的影響,應該給予考慮。dt人體熱調(diào)節(jié)模型提出后,為了考慮服裝對人體的影Mn-Bn-Kn-Rn-Cn-(En+Eres)[2]響,早期研究者采用對傳輸系數(shù)乘以服裝影響因n=1,2,…,24(1)[7,8]子的方法,考慮比較粗糙。近期研究者應用式中,下標n表示第n個組織層,Cp,n表示熱容[9]Farnworth提出的服裝整體模型,與人體熱調(diào)節(jié)模(W·s℃),Tn表示溫度(℃),t是時間(s),Mn表示型進行聯(lián)合,實現(xiàn)了動態(tài)模擬,但Farnworth服裝整代謝熱生成(W),Bn表示血液流動引起的熱損失

5、體模型是一個熱阻和濕阻模型,未能考慮纖維吸附(W),Kn、Rn、Cn分別為傳導、輻射、對流引起的熱損(解吸)水分對導熱系數(shù)及熱容的影響。失(W),En、Eres分別表示由皮膚表面蒸發(fā)和呼吸引纖維對濕的吸附與解吸,是服裝熱濕舒適性研起的熱損失(W)。在Stolwijk模型中認為人體分泌究所要考慮的核心問題。一方面,纖維對濕的吸附的汗液全部蒸發(fā),忽略了汗水在人體表面的積聚,這與解吸要放熱和吸熱;另一方面,纖維含水量對吸濕在著裝人體上是不符合實際的。本文采用Jones[6]性較大的纖維組成的織物的導熱系數(shù)及熱容有重要提出的汗水積聚計算方法對Stolwijk模型進行改進,[1

6、0]影響。對著裝的動態(tài)熱濕舒適性研究來說,這兩由皮膚表面向周圍環(huán)境蒸發(fā)的熱量由下式計算:方面的影響都是不容忽略的,在模擬中應當很好地Psk,i-Pea,iEi=Si(2)給予考慮。Rea,i針對上述問題,本文對Stolwijk模型進行了改式中,下標i表示第i個節(jié)段,Psk,i、Pea,i分別表示第進,并且結(jié)合服裝熱濕耦合模型,對人、服裝、環(huán)境系i個節(jié)段處皮膚表面和皮膚周圍環(huán)境的水蒸汽分壓統(tǒng)進行了動態(tài)數(shù)值模擬。2(Pa),Si為第i個節(jié)段的面積(m),Rea,i表示第i個21人體熱濕調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學模型節(jié)段處皮膚表面空氣層的蒸發(fā)熱阻(m·PaW)。當在Stolwijk人體熱

7、調(diào)節(jié)模型中,人體的熱系統(tǒng)分國家自然科學基金資助項目(10072014),高校博士點專項基金資助為被動系統(tǒng)和主動系統(tǒng)兩個部分。項目(2000014107)。2004年第5期紡織學報【25】[6]皮膚表面沒有汗積聚時,2.2質(zhì)量守恒方程Psat,iRea,i+Pea,iResk+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為孔隙率,Ca為纖維間孔隙中的蒸汽濃度33式中,Psat,i表示第i個節(jié)段處皮膚溫度下的飽