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基于人体-服装-环境的高温人体热反应模拟与实验研究

杨杰  
【摘要】:人体热防护是公共安全领域的重要研究方向。消防员在火场环境灭火救援时,由于暴露于高温热辐射环境、体力活动强度大、且穿着厚重的防护服,可能导致热应激反应。因此,如何合理评估高温环境下人体-服装-环境热交换及人体热反应是保障消防人员生命安全的重要手段。本文通过人体实验、数学建模、假人实验及CFD仿真四种手段实现高温环境下人体热反应的模拟与实验研究。研究成果可用于预测高温环境下人体热生理参数、评估舒适度和热应激、指导应急救援、个体防护服装备的测试与研发。主要工作和研究成果如下:完成高温环境人体热生理实验。在人工气候室内设置常温29 oC和高温45 oC环境,设置不着装和防护服两种实验工况,测量受试者在不同环境温度及穿着不同服装工况下人体核心温度和不同部位的皮肤温度,进而分析不同环境温度及服装对核心温度及皮肤温度的影响,并将实验测量值作为人体热反应模型、假人耦合系统及CFD耦合系统的验证数据。在常温人体热反应模型的基础上,考虑了高温对人体血液流量、代谢产热量及换热系数的影响,建立了高温人体热反应模型。该模型分为三部分:被动系统,模拟人体体内及其与环境的换热量;主动系统,模拟人体热生理调节;服装系统,模拟服装对人体与环境之间热湿传递的影响。为验证模型的精确性,将模型计算的核心温度及皮肤温度与实验测量值进行比较。将人体热反应模型作为假人的控制系统建立假人耦合系统,实现假人的智能化,使假人能够“感觉”到环境变化并进行主动调节。假人耦合系统充分发挥假人较精确测量换热量和模型较准确模拟人体主动调节的优势。将耦合系统所得核心温度和皮肤温度与人体热生理实验的测量值比较。结果表明,假人耦合系统不仅可以预测人体核心温度及皮肤温度,也可用于防护服隔热及隔湿性能测试。将人体热反应模型嵌入到CFD仿真系统建立CFD耦合系统,利用激光扫描技术建立数值人体几何模型,并由ICEM软件建立数值气候室。利用CFD耦合系统计算人体对流和辐射换热系数、对流及辐射换热量、皮肤温度。结果表明,CFD耦合系统所得模拟值和实验测量值及文献中模拟值吻合性较好,可用于高温环境人体与环境换热量及人体热生理参数模拟。


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