CFD数值模拟在着装人体传热研究中的应用进展

"人体-服装-环境"系统热传递机制的研究是评价着装人体热舒适、评估职业环境热安全的理论基础,对保障人员生命安全具有重要意义。CFD数值模拟是继物理实验研究之后的重要研究手段,可以在一定程度上补充实验研究。文章从CFD传热模型的建立方法出发,介绍了人体、服装、环境模型的构建方法,讨论了模型的验证参数及其测试手段,并分析了CFD方法在着装人体传热研究中的应用现状,最后从CFD传热模型的建立和应用角度提出目前存在的不足及未来的研究趋势。今后应完善数值服装模型的建立手段,并基于动态网格划分技术建立动态衣下空气层模型,最后对CFD模型的验证建立规范的评价标准。     

低热辐射环境中消防服系统内热传递机制的研究进展

为有效避免低热辐射环境中消防作业人员遭受热损伤,揭示消防服系统内复杂的热交换机制并由此指导产品设计与开发,由消防服系统传热理论出发,从消防服织物基本性能和服装的款式特征、人体的形态结构与活动状态、辐射热源的特征以及热湿耦合作用4个角度对当前的研究进展进行了回顾与讨论。基于对以往研究中存在的难点和瓶颈问题的分析,提炼出未来研究中值得探索的方向,包括:非均匀空气层的分布与模拟方法的升级、非稳态人体运动和环境风形成的气流场和速度场变化规律及其与传热的关系、耦合人体热调节模型拓展服装传热机制研究的内涵3个层面。     

着装人体热应激评估中热生理模型的研究进展

在消防及工业场景中,穿戴防护服的作业人员于高温热环境下工作,可能面临体温升高、脱水、疲劳及中暑等热应激问题。相较于真人实验、假人测试及热应力预测模型,热生理模型具有建模灵活、预测稳定等优势,已被广泛应用于高温环境中的热应激评估。文章从人体建模仿真、人体-环境传热模型和服装传热模拟三个方面,归纳了热生理模型评估的影响因素,并展望了未来研究的发展方向。首先,结合生理学、神经科学等领域的研究,以提高高温环境下人体热调节模拟的准确性;其次,整合动态传热系数于人体与环境传热模型,克服模型区段差异和高温热传递模拟的挑战;最后,进一步细化服装模型,并加强与热生理模型的结合。     

人体、服装、环境系统动态热湿传递数值模拟

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     

服装通风研究现状及进展

服装通风是服装设计和评价中的重要因素,直接影响人体热湿舒适性。通过对国内外相关研究成果的回顾,介绍了服装通风测量方法及系统、通风影响因素以及服装通风与热湿舒适性的关系,重点阐述服装整体和局部通风表征系统及其在热湿舒适性领域的应用。在现有研究方法和成果的基础上,总结了服装通风的发展趋势：建立服装通风与人体热生理反应数值关系模型;采用CFD方法模拟服装通风过程;探究服装通风机制;将服装通风应用到环境污染领域,为人体防御污染物提供服装选择方面的建议。     

热疗纺织品热性能测试评价及传热机制研究进展

针对目前热疗纺织品的实际应用、疗效评价、使用安全性及热舒适性等问题,总结了具有热敷、热疗及其他保健作用的可穿戴产品的研究、应用及发展现状。首先,将热疗产品分为电加热、红外线发热两类,分析现阶段热疗纺织品的热性能测试及治疗疗效评估方法,分别从人体热生理实验、动物实验优缺点来阐述不同实验方法对热性能预测的影响。然后,通过可穿戴式热疗产品传热机制的研究,阐述了皮肤传热模型与纺织品传热模型的研究现状,总结了有限元模拟在人体皮肤组织及纺织品热传递研究中的应用。最后,指出在未来的研究中,应全面准确地模拟人体生物组织与纺织品的热传递系统,建立可穿戴热疗纺织品的热舒适性及治疗安全性测评标准。     

基于CiteSpace的人体热调节模型研究分析

人体热调节模型在“人体-服装-环境”系统的热湿传递机理研究中具有非常重要的作用，一直是传热传质学、生理学、工效学、纺织服装、建筑与环境等多学科交叉研究的重点。利用CiteSpace软件，从文献计量学的角度对Web of Science核心合辑收录的499篇有关人体热调节模型的研究论文进行数据可视化处理和分析。研究结果表明：东华大学、香港理工大学、清华大学是本领域的高产机构；Fiala模型、JOS模型和Gagge模型是近年来引用最多的热调节模型；我国热调节模型相关研究文献发表数位居世界第二，但因起步较晚，应用型研究较多，原创性热调节模型少，国际影响力较弱；计算流体力学和人工神经网络逐渐成为近几年的研究热点。     

火灾环境下应急救援防护服传热数值模拟

 通过建立穿着于模拟人体的应急救援防护织物传热模型,研究模拟火灾环境下的服装传热特征。模拟人体肢体的圆柱体内核保持恒定温度37℃,模型考虑了织物吸收热辐射及热属性随温度变化的特性,运用有限差分完全隐式格式方法模拟计算了织物与人体皮肤的一维径向温度分布,将计算得到的温度值代入Henriques烧伤模型方程以预测皮肤达到二级烧伤所需的时间,其值与实验结果较为一致。研究结果表明,圆柱几何形状对天然阻燃高聚物纤维织物的热防护性能影响效果较为显著,所建立的模型为覆盖于圆柱体的多孔材料传热提供了系统的研究方法。     

热调节暖体假人在着装舒适性评价中的应用现状

为丰富暖体假人评价服装热湿舒适性的测评参数,基于对恒皮温、恒热流、热舒适3 种模式的原理及应用分析指出,有必要将体温调节模型引入假人系统,弥补常见模式无法模拟人体热调节的缺陷。以Fiala 模型为例,分析了生物热方程为基础的被动系统、包含四大热调节机制的主动系统构成及热调节假人系统的耦合机制。结合预测平均投票值及加州大学伯克利分校热感觉模型等,热调节假人可实现对人体稳态及瞬态热感觉的预测,从人体角度评价服装舒适性。对比热调节数值假人和暖体假人,前者灵活性更强,但需要考虑的因素过多,模拟准确性低于后者。     

智能可穿戴监测服装性能评价模型的研究进展

为促进可穿戴智能服装评价标准形成进而促进可穿戴智能服装产业化发展,系统介绍人体-织物数理模型及人体与织物间动态压力数值模拟的评价模型。基于弹性力学理论,探究静止状态下拉普拉斯数理模型的研究进展;介绍织物结构对接触压力的影响及织物结构的数值模拟,并进一步探究着装过程、运动状态下人体-织物间连续动态压力的数值模拟情况,以及数值模拟法与计算机技术结合的现状。最后讨论现阶段可穿戴智能服装评价模型的应用,并提出使用数值模拟法进行多物理场耦合、模拟加速度运动用于提高可穿戴智能服装可靠性评价标准的发展展望。     

热防护织物热湿传递数值模拟研究进展

总结国内外热防护织物传热仿真的研究进展与发展趋势。介绍了热防护织物模型的发展,并从热暴露阶段的瞬态传热、热湿耦合传递以及织物冷却过程传热等方面阐述了热防护织物热湿传递模型的研究现状,总结了热湿传递的数值模拟方法。指出:热防护织物微观建模、耦合多因素及更加注重应用需求的发展趋势,为热防护织物与服装的性能及结构优化,以及新材料的设计开发提供一个新的发展方向。     

衣下微环境的研究现状

衣下微环境对着装者的舒适性有决定性的影响,从评价方法和影响因素方面对衣下微环境的研究现状进行了探讨.衣下微环境评价方法可以归纳为着装测试和数值模拟,着装测试包括真人和假人穿着测试,数值模拟是基于人体热生理模型的着装计算机模拟.衣下微环境影响因素的研究主要从人体、服装和环境方面展开,人体因素的研究包括代谢水平、年龄和性别...     

数值模拟在热防护服装性能测评中的应用

对热防护服装性能合理的评价在公共安全领域具有重要意义。数值模拟成为继试验研究之后相关领域的重要研究手段。从模型的建立及验证2方面出发,主要对传热模型、皮肤烧伤预测模型和火场环境仿真等相关研究进行回顾,并对典型模型的发展过程、特点和不足进行归纳。根据相关技术的发展,预测了热防护服装数值模拟的发展趋势。未来将在完善热湿传递模型的基础上,发展全尺度的数值模拟,并结合人体热调节等模型对防护服进行多方位的评价。通过在优化热防护服装方面的应用,充分体现数值模拟研究的实用价值。     

高温液体及蒸汽防护服装防护性能研究进展

为合理评价高温液体和高压蒸汽防护服的防护性能,通过回顾国内外实验室模拟高温液体和高压蒸汽环境中防护服装性能研究的最新成果,从“人体-服装-环境”系统的角度分析了影响高温液体和蒸汽防护服装防护性能的关键因素;总结了现阶段防护服高温液体和蒸汽防护性能的测评技术和标准;从服装材料基本性能和静态空气层等服装因素、人体体型、人体出汗、人体运动以及造成的磨损等人体因素,以及灾害种类、冲击角度、温度、距离、压力等环境因素3个维度归纳了各因素对服装防护性能的具体影响;指出了目前在服装、人体、环境3个因素中研究存在的不足,预测了未来探索高温液体及蒸汽防护性能的研究方向,提出在今后的研究中应建立全面的高温液体和蒸汽防护性能评价体系,以提高高温液体和蒸汽防护性能测评的准确性。     

低辐射热暴露下消防服热防护性能测评方法研究进展

为全面准确地评价低辐射热暴露下消防服的热防护性能,分析了现阶段的实验室测评方法和数值模拟方法。基于消防服内传热机制的研究,阐述了消防服内干态传热模型和热湿耦合传递模型的研究现状,总结了热防护性能的影响因素;分析了现阶段低辐射热暴露下织物和服装热防护性能测评方法,分别从测试方法的差异因素和局限2个角度阐述不同实验方法及实验装置对热防护性能预测的影响;总结了目前数值模拟在消防服热湿传递机理研究方面的应用;最后指出在未来的研究中,应全面准确模拟真实的低辐射热暴露环境,提高消防服热防护性能测评的准确性。     

虚拟试衣系统关键技术研究

基于目前虚拟试衣系统国内外发展现状及应用,分析三维人体重建技术与三维着装模拟效果,并深入探究实现该功能的三维人体扫描与建模、建立服装库、模拟面料等技术;发现可通过对三维人体样本形态进行统计学习,帮助实现人体以及服装模型的快速构建,此外,系统的仿真性仍存在很大的提升空间,合理的数据存储与交换功能以及新增服装推荐搭配等服务可受益服装消费者与商家。     

孕妇服防电磁辐射检测技术研究

电磁辐射对孕妇的影响一直受到人们的关注,但目前孕妇防辐射服防辐射效果的检测还没有标准可依。用低介质材料建立一个可内置检测探头的孕妇人体仿真模型,并在模型中分别加入仿人体组织液、蛋白质纤维等不同填充物．模拟人们生活和工作的电磁环境中最常接触的频段,在半电波暗室中测得服装的屏蔽效能。分析了不同填充物对服装防电磁辐射性能的影响,并利用现行有效的面料屏蔽效能测试方法测得的结果,与人体仿真模型测试结果进行了分析对比。测试结果表明：在仿真模型上测得的服装屏蔽效能结果与服装面料平面屏蔽效能结果存在较大差异：不同填充物下测得的服装防电磁辐射结果各不相同;人体仿真模型测得的服装屏蔽性能与面料的屏蔽性能趋势吻合。     

室外高温环境下通风服装的传热模型与实验研究

为提高夏季室外高温日晒环境下作业人员的热舒适性,对人体、服装与环境之间传热过程进行分析,以此作为针对性降温方式的理论基础建立了通风服装在室外高温日晒环境下的传热模型,并采用真人实验的方法验证了该传热模型;分析了送风后衣下空间空气参数及人体主观反映的改变.结果表明:采用该模型计算得到的人体得热量与失热量误差仅为9.1％,...     

服装工效系统热湿耦合的非线性特性

将热力学方法运用于人体服装环境工效系统的研究,运用非平衡热力学中力与流的关系来描述系统中服装传热与传湿之间的耦合,并通过出汗暖体躯干的实验测试获得与热湿耦合有关的数据,所得到的规律表明该热湿耦合有非线性关系。实验数据说明服装的热湿耦合是不可忽略的。     

空气层位置对消防战斗服隔热性能的影响

为研究辐射情况下空气层位置不同对消防战斗服材料隔热性能的影响,基于织物热湿传递多孔介质模型,建立织物-空气层-皮肤系统热湿耦合模型,研究空气层厚度为1~10 mm,位于外层与防水层之间及舒适层与皮肤之间时,织物背热面及内部温度变化;基于生物传热方程,采用Henriques人体皮肤烧伤模型计算人体皮肤烧伤时间。结果表明:空气层厚度相同,位于外层与防水层之间时,织物-空气层系统的隔热性能优于空气层位于舒适层和皮肤之间的情况,人体皮肤烧伤时间极大延迟;当空气层位于外层与防水层之间,厚度大于7 mm时,人体皮肤烧伤时间出现突跃性增大;消防战斗服在进行设计时应增大外层与防水层之间空气层厚度,并且对于身体各部分分开设计。