ANSYS在人体热湿舒适性模拟系统中的应用现状.pdf
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1、2 0 2 3年第4期 计算机应用A N S Y S在人体热湿舒适性模拟系统中的应用现状李瑞林,郭瑞良(北京服装学院,北京 1 0 0 0 2 9)摘 要:文章以低温环境为研究背景,从使用AN S Y S构建人体-服装-环境模型方法的角度出发,概述了目前研究人员所使用的构建方法,讨论了低温、湿度、风速这三项重要变量对人体着装热湿舒适性的影响,通过对人体自身热调节模型的筛选、普通防寒服结构等方面的总结,分析使用AN S Y S仿真软件研究人体着装舒适性的现状。关键词:AN S Y S仿真;热湿舒适性;数值模型;风速 中图分类号:T S 9 4 1.2文献标识码:A文章编号:1 0 0 9-3 0
2、 2 8(2 0 2 3)0 4-0 0 3 7-0 4收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 6第一作者简介:李瑞林(1 9 8 7),女,安徽阜阳人,硕士研究生。近年来,基于计算机流体动力学(C o m p u t a-t i o n a l F l u i d D y n a m i c s,C F D)理论构建数值模型的方法被引入服装热舒适研究领域中,该方法利用计算机进行数值计算及图像显示,分析包含流体流动和热传导等相关物理现象。相较于传统的物理实验,数值模拟方法能够实现多物理场的分离和耦合,所构建的数值模型具有灵活的参数调节功能,并对模拟结果可视化显示。当前,C F D数值模拟方法已成
3、为人体传热研究领域一个新的重要分支,应用在各个领域,精准、便捷地完成实验研究,具有成本低,效率高的显著优点,能完成很多难以实际操作或验证的问题1。AN S Y S作为大型通用的有限元分析软件,将其应用在服装工程方面,可仿真模拟实验环境,有效设置温度、湿度、风速等所需验证条件,具象表达某种变量条件对人体着装舒适性的影响。1 计算域网格划分及数值模型构建服装传热传质仿真生态模拟中的一般计算域包括环境域、衣内微气候域、服装层和人体等四大方面,研究人员在进行模型构建时要根据设定条件的不同而有所侧重。1.1 人体模型根据防寒服需要遵循隔热效果好、分层合理和透气性良好等原则,应充分考虑服装的多层组合,保证
4、衣下具备合适的静止空气,在领口、袖口等开口部位采用较封闭的服装结构,减少环境、服装与人体之间的热对流,增加服装的热阻,同时选用透气性好的材料,避免出现汗水浸湿衣服,发生冷凝反应2,3。寒冷环境下,除了考虑到防寒服对身体的防护,还要增加对四肢的防护,因此还需要配备防寒装备,例如:厚手套、加厚鞋袜。因此在进行人体模型构筑时,无法像L i m J等人4建立的分段同心圆柱体着装模型,这种简化的圆柱体模型,虽然能使计算分析过程快捷,但与实际传热效果存在偏差。为了提高准确性,研究人员大多使用三维立体人体模型,通过三维扫描技术对暖体假人进行全尺寸的精准模拟,或是使用C L O 3 D等建模软件构建与实验暖体
5、假人相同尺寸的立体模型。X u J等人5使用扫描和后处理的人体模型,基于全尺寸热人体模型牛顿,使用3 D扫描仪创建模型,在实验仿真结果与实际气候室中假人实验结果进行对比验证,有利于排除因人体模型的不同而产生的实验差异。但是精准的三维人体模型在数值模拟过程中往往意味着繁杂的计算过程,所以可以通过模拟整体性进行调整。简化的几何体模型更适合研究环境对人体的整体外部影响,而精准的全尺寸立体模型可以侧重于研究局部影响。1.2 服装模型类似于人体模型的构建,服装模型也使用建73 2 0 2 3年第4期 计算机应用模软件构建简化模型或利用三维扫描技术构建全尺度精确模型。除了几何特征,服装还具有多孔介质特性,
6、因此气流可以透过服装的孔隙促进人体与环境间的对流热传递。在C F D模拟中,多数学者将其视为“具有传热阻力的固体物质”,忽略其多孔介质特性,仅考虑热传导一种传热方式1。1.3 环境模型环境模型一般包括室内或室外环境的几何模拟体的建立和气候模型建立。环境气流的模拟涉及到对湍流模型的选择。目前常用于模拟人体周围气 流 的 湍 流 模 型 是 低R e数 的k-模 型 和S S T k-模型。相关研究探讨了上述模型预测结果的准确性,发现S S T k-模型在对流和辐射都存在时预测结果更好,且在较高风速的情况下,S S T k-模型也没有明显增加运算时间。综合考虑模拟精度和计算费用,推荐使用S S T
7、 k-模型预测人体热量散失。进行计算域网格划分时可以使用g a m b i t软件生成网格,由于“环境-服装-人体”整个生态系统呈现不规则几何状,所以网格划分时应采用非结构、密度不均匀形式。同时,为了保证模拟结果的准确性,考虑到服装结构对人体的局部产热、散热和热对流、衣下空气层间微气候对流等有显著影响,在进行网格划分时着装人体的局部应进行一定程度的加密处理,程度范围应体现在不同区域的网格尺寸大小、网格数量控制6。2 计算模型及条件设定2.1 计算模型在人体外表传热模型中,研究者通常使用R AN S k-和低R e k-模型7,8,X u J5发现固体壁(人体模型表面)传热的条件下,这两种模型的
8、区别在于它们处理靠近固体壁的气流的方式。低R e k-模型在层流层和缓冲层上以良好的精度模拟了直至壁面的空间中的气流,而R AN S k-模型采用壁面函数来简化壁面附近层流层中的气流。理论上,低R e k-模型预计比R AN S k-模型能给出更准确的模拟结果。2.2 条件设定AN S Y S软件搭载了各类计算模型服装传热过程涉及的物理现象,可以用其中一些模型与边界条件描述限定。需注意衣内微气候的自然对流和强制对流、服装材料和局部部位的传热系数等边界条件。3 调节模型3.1 人体热调节模型U d a y J,W a n g F9等人分析通过衣服和人体间气隙的传热过程,所用模型考虑了耦合传导、自
9、然对流和辐射传热。通过分析简化假设可导致传热分析预测出现较大偏差的原因,突出了开发模型的重要性。安启启1 0经过改进G a g g e两节点模型建立基于个体差异性的热生理模型,该模型可通过输入个体参数预测人在一定热环境中的热生理变化,再将改进后的热生理模型与PMV模型结合,建立了基于个体差异性的人体热舒适模型,并对该模型进行了验证和应用分析。3.2 服装的热湿调节模型为了较为详细地描述强制通风下服装内部热量分布和流体的流动情况这一过程,需要建立完善的模型,国内外的许多学者做了相关研究。数值模拟是一种节省成本且时间效率较高的方法,可以用来了解物理机制和人体实时的生理反应。过去,针对不同环境下不同
10、类型的服装,创建了不同的数值模型来研究服装的热湿传递过程1 1。针对强制通风下,服装内部和外部的温度、湿度和换热系数等,研究者建立了相关的数值模型。4 仿真数据后处理C F D-p o s t等后处理软件可将数据转换为可分析的图表,例如人体周围热场云图、服装人体微环境气流温度的流线图和热通量实时变化的折线图等。5 结果验证后参数及人体热湿舒适性影响因素分析5.1 环境因素人体对冷感觉的反应比对热感觉的反应更加显著,而且经调查发现,人体平均热感觉和舒适性均受温度、湿度、风速影响,且在低温环境下,湿度和风速甚至会加大冷作用强度。832 0 2 3年第4期 计算机应用5.1.1 风速经过X u J等
11、人5研究发现,不管是对于人体的整体还是局部,风速和湍流强度对人体对流传热系数的影响都比较显著,并且风速对人体对流传热系数的影响是随着湍流强度的增加而增加。在较大空气速度下,湍流强度的变化引起的总体对流传热系数变化大于在较小空气速度下的变化,该结果与O n o T等人1 2的研究结果一致。在室外环境条件下,自然对流和强制对流通风条件不会均一发生,钱静等人1 3主要分析论述了强制对流通风条件下的服装热湿传递模型的研究进展,发现在强制对流存在的情况下,人体、服装与环境之间的换热以及服装微环境内的温度分布较为复杂,难以用实验来量化。纺织品的微观结构和纹理对人体的热湿舒适性起着非常重要的作用。一些学者对
12、织物和服装热湿传递的动态模型进行了讨论,并对多孔介质中的热、湿和空气流动进行了相应的数值模拟。丁殷佳,王利君1 4研究了风速对单、双层织物的影响。建立了双层织物总热阻关于风速的模型,并将不同面料,在不同风速下热阻的预测值和测试值进行对比,发现误差小于3%,模型的准确性得以验证。B a r a u s k a s R等人1 5提出了用于研究多层纺织面料与人体之间的热量和空气、水汽质量交换的计算模型,创建了三维纺织材料构成的强制通风层的有限元,可作为纺织面料整体结构模型中的结构元素。在理想气体状态方程的基础上,导出单元方程,给出织物层特性的测量结果和数值数据。5.1.2 湿度空气湿度使服装中的水分
13、含量发生变化,从而影响人体、服装和环境之间的热量和水分传递以及穿着者的舒适性。D u C等人1 6评估寒冷环境下服装的水分效应时,在气候室中进行一系列穿着实验,模拟了实验服装的瞬时吸湿和透湿。研究发现在8 5%相对湿度条件下,衣物中的水分显著降低了受试者的平均皮肤温度(M S T),并增加了局部血流量,这是由于蒸汽蒸发增加了热量损失,量化了服装微环境中空气温度和湿度对人体热舒适性的耦合影响。衣内微气候下的湿度会影响着装者的舒适体验,若衣内气候潮湿,温度通过衣物进行湿热传递,蒸发传热效能比在静止空气下要高,会加剧体温的下降,使人体感到不适。5.1.3 温度C F D数值研究表明,较高的环境温度会
14、导致对流传热系数的降低,但人体的辐射传热系数会增加。桑民敬等人1 7采用生物热方程,模拟冷环境下手指温度分布,发现环境对手的温度场影响较大,而对人的动脉血液温度影响不大。5.2 人体运动方式人体运动可以根据身体姿势是否变化分为两种情况:一种是保持身体姿势不变的刚性运动,如人骑在摩托车上;另一种是在空气中做不规则运动,如人体摆动双腿和双臂行走。人体不规则运动会使体表的边界空气层不断发生变化。5.3 服装因素人在着装状态下,服装及其衣下空气层作为人体与环境间的媒介物影响热量传递。由于空气的导热系数与纺织材料截然不同,松量、开口等服装结构和设计变化直接影响衣下空气厚度、体积、位置、均匀性、形态等,从
15、而影响气流传热机制导致衣下微气候状态的改变。6 结论AN S Y S仿真软件虽在研究人体着装舒适性方面取得一定研究成果,但实际环境下影响因素很多,很难达到高准确率。人体自身的体温调节,新陈代谢等功能的不同,所感受到的热湿舒适也存在一定的误差,容易使实验结果在实际应用中存在一定的差异化,降低差异化是目前的重要难点之一。另外,预测模型的选择、优化或建立,对结果准确性也有一定的影响。参考文献:1 徐新宇,王云仪.C F D数值模拟在着装人体传热研究中的应用进展J.纺织导报,2 0 2 1(9):7 4-7 8.2 王泽军,王艾平,杨天,等.寒冷环境下科学着装的基本策略研究J.解放军预防医学杂志,2
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