基于人體熱調(diào)節(jié)模型的民機(jī)座艙熱舒適性分析

龐麗萍 鞏萌萌 王 浚

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

崔 燚

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院 環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計研究部，上海 200235）

基于人體熱調(diào)節(jié)模型的民機(jī)座艙熱舒適性分析

龐麗萍 鞏萌萌 王 浚

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

崔 燚

（上海飛機(jī)設(shè)計研究院 環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計研究部，上海 200235）

民機(jī)座艙熱舒適性研究對我國研制的大型飛機(jī)市場競爭力具有重要意義.在舒適性研究中人體熱模型的合理性是影響舒適性分析與評價的關(guān)鍵.在開展的有限空間人員熱特性實驗測試基礎(chǔ)上，建立了一種具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型，將人體復(fù)雜傳熱過程抽象為高溫核心區(qū)、血液灌注區(qū)和等效組織區(qū)三者間熱傳遞，很好地克服了常規(guī)定壁溫或定熱流密度人體模型的局限性，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好.將該模型結(jié)合文中提出的無迭代PMV（Predicted Mean Vote）熱舒適性方程，在保證計算速度的前提下，可實現(xiàn)高人員密度的民機(jī)座艙舒適性分析.仿真結(jié)果表明:該方法既能夠滿足復(fù)雜空間的計算速度要求，又能較準(zhǔn)確地體現(xiàn)人體生理熱調(diào)節(jié)過程，仿真結(jié)果可靠性高.

民機(jī)座艙;熱舒適性分析;人體熱模型;CFD仿真

飛機(jī)座艙作為典型的特殊微環(huán)境，與室內(nèi)環(huán)境相比，具有明顯不同之處，如艙內(nèi)空間狹小、人員密集、不能任意走動;飛行中乘員受到多種環(huán)境因素綜合影響;環(huán)境控制系統(tǒng)不工作，污染物能夠迅速聚集，溫度也會迅速升高（如滿載飛機(jī)15 min就會處于極熱狀況）.所以飛機(jī)座艙熱舒適性研究對座艙綜合環(huán)境品質(zhì)具有重要意義.

對復(fù)雜空間的熱舒適性研究主要采用數(shù)值計算方法，探索環(huán)境參數(shù)變化對人體熱舒適性變化的影響［1－2］.人體熱模型是舒適性分析的關(guān)鍵，其建模合理性直接影響到舒適性評價的可靠性［3－4］.但是目前面臨的問題是:如果僅基于常規(guī)簡單人體熱模型進(jìn)行座艙舒適性分析，則分析結(jié)果與實際偏差較大;如果基于復(fù)雜的人體傳熱機(jī)理模型［5－6］，雖然提高了人體熱特性計算結(jié)果的合理性，但卻會導(dǎo)致多人復(fù)雜空間熱舒適性分析的計算災(zāi)難.

本文試圖在傳熱合理性與仿真計算量之間尋找一種可實現(xiàn)的解決方法.在實驗基礎(chǔ)上提出具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型，分析乘客在飛機(jī)座艙內(nèi)的熱特性，與文中提出的簡化熱舒適性計算方法相結(jié)合，能合理、高效地實現(xiàn)民機(jī)座艙熱舒適性分析，從而為該類人員密集區(qū)的熱舒適設(shè)計提供了一種計算效率高且結(jié)果可靠的分析方法.

1 變環(huán)境下的體表溫度測試實驗

為了有效研究人體表溫度隨環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，為建立人體模型提供依據(jù)，本文開展了環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時的人體表面溫度測量實驗，獲得了變環(huán)境參數(shù)下人體表面溫度的變化規(guī)律.

實驗在有送、回風(fēng)口的可調(diào)溫空調(diào)房間進(jìn)行.實驗時，被測者靜坐于椅子，用溫度傳感器測量身體14處典型部位（頭后部、面部、前胸、后背、右臂上、左臂上、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足）溫度變化.溫度測試系統(tǒng)包括工控主機(jī)、溫度數(shù)據(jù)采集模塊、鉑電阻溫度傳感器，如圖1所示.

圖1 變環(huán)境參數(shù)下的體表溫度測試

實驗時改變環(huán)境溫度，得到人體14處典型部位在變環(huán)境參數(shù)后穩(wěn)定的溫度數(shù)據(jù).圖2為人面部、前胸和左腿隨環(huán)境溫度變化的穩(wěn)定值曲線.

分析實驗數(shù)據(jù)可知:①人體各部位溫度分布不一致，存在溫度梯度，頭部、胸和手的溫度較高，四肢次之，腳最低;②人體各個部位溫度會隨環(huán)境變化而變化，當(dāng)環(huán)境溫度升高，各部位溫度也會隨之升高;③人體各部隨環(huán)境變化程度不一樣，頭部溫度變化最明顯，其次是四肢，胸部和腳部變化最小;④冷空氣對流換熱對體表溫度影響較為明顯，可以形成4℃以上的溫差.

圖2 變環(huán)境下的面部和后腦溫度變化曲線

該實驗為具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型建立提供了依據(jù).

2 具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型

2.1 常規(guī)人體熱模型局限性

定體表溫度法是將人體表面處理為定壁溫傳熱邊界條件，人體不具備熱調(diào)節(jié)能力，不能反映周圍環(huán)境（溫度和風(fēng)速）對人體的熱影響，僅適用于絕對舒適環(huán)境中，如圖3a所示.定體表熱流法是將人體表面處理為定熱流傳熱邊界條件，一定程度上反映了人體熱調(diào)節(jié)能力，應(yīng)用范圍較廣.但該方法在計算時會出現(xiàn)熱積聚，從而造成局部溫度過高，嚴(yán)重時可使局部溫度達(dá)到上百度.盡管可以通過調(diào)整身體各部位的熱流設(shè)定值加以改善，但是仍無法克服，如圖3b所示.

圖3 常規(guī)人體熱流模型體表溫度計算結(jié)果（℃）

由實驗分析可知:體表不同區(qū)域存在溫度梯度，且體表溫度是隨周圍環(huán)境溫度而變化的.常規(guī)人體建模的局限是把人體表面?zhèn)鳠崽匦宰鳛楣潭ㄟ吔鐥l件處理，沒有體現(xiàn)自身的熱調(diào)節(jié)能力，顯然嚴(yán)重背離了實際情況.

如果采用復(fù)雜人體傳熱機(jī)理建模方法［4－6］，將人體劃分為多節(jié)段模型，再從內(nèi)到外建立精細(xì)的傳熱模型，這雖然提高了人體熱特性計算結(jié)果的合理性，但卻導(dǎo)致了多人復(fù)雜空間熱舒適性分析的計算災(zāi)難.

2.2 具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型結(jié)構(gòu)

實際上人體頭部、頸部的汗腺及血管分布較發(fā)達(dá)，溫度梯度大，而全身溫度梯度最小的部位為下肢，血管分布較少，組織傳熱作用相對較大.軀干內(nèi)部體核溫度恒定在37℃，相當(dāng)于人體內(nèi)部熱源.血液從體核出發(fā)將熱流帶到各個組織，經(jīng)過充分換熱流回體核［7－8］.通過上述分析并結(jié)合實驗結(jié)果，本文建立起具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型，將人體復(fù)雜傳熱過程抽象為人體高溫核心區(qū)1、血液灌注區(qū)3和等效組織區(qū)2之間的傳熱過程，見圖4a，從而模擬了較真實的人體熱量從體內(nèi)傳向體表的過程.另外，在血管熱模擬中有所側(cè)重，將人體血管等效為流經(jīng)頭部的干流血管，從而避免了精細(xì)處理時對網(wǎng)格劃分及計算機(jī)處理帶來的過大負(fù)擔(dān).

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T10000—1988《中國成年人人體尺寸》，根據(jù)計算空間復(fù)雜度可進(jìn)行人體曲面或盒狀建模，如圖4所示.將人體劃分為不同節(jié)段，具有不同的熱物理參數(shù).

圖4 具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 具有熱調(diào)節(jié)行為的人體模型傳熱原理

常規(guī)數(shù)值人體熱模型沒有考慮人體組織間傳熱，如圖4a中僅將人體體表視為熱交換的一個邊界條件，即體表溫度T7或體表熱流q7為定值.本文提出的方法將其發(fā)展為人體內(nèi)部流固耦合傳熱模型，進(jìn)而參與到整個傳熱過程中，從而體現(xiàn)了人體熱調(diào)節(jié)行為（熱積或熱債）.人體區(qū)域1～7遵循如下非穩(wěn)態(tài)傳熱方程.

等效組織傳熱區(qū)2滿足固體屬性傳熱:

血液灌注區(qū)3滿足流體傳熱:

固體區(qū)2和液體區(qū)1交界6滿足:

上述傳熱方程還需滿足內(nèi)外兩個邊界條件:

內(nèi)邊界條件（高溫核心區(qū)1）:T1=37℃.

外邊界條件（體表7）:

式中，x，y，z為坐標(biāo)，m;n為交界法向;T 為近人體環(huán)境及體內(nèi)各區(qū)溫度，℃;λ，ρ，c分別為體內(nèi)各區(qū)域組織等效導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·℃）、密度，kg/m3、比熱容，J/（kg·℃）;τ為時間，s;α為各液體區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)，W/（m2·℃）;d，l分別為血液灌注區(qū)等效血管直徑和血管長度，m;下標(biāo)1～7代表各個傳熱區(qū)域，見圖4a.

具有熱調(diào)節(jié)行為的人體模型將常規(guī)人體熱邊界模型發(fā)展成為人體內(nèi)部具有流固耦合傳熱模型，主動參與到與環(huán)境的換熱中，從而引入了人體熱調(diào)節(jié)行為，實現(xiàn)了人體隨周圍環(huán)境溫度變化而變化，提高了人體與環(huán)境間熱交換計算的準(zhǔn)確性，同時在處理時又沒有建立復(fù)雜的機(jī)體傳熱模型，與之相比使得計算量大大減少.

2.4 具有熱調(diào)節(jié)行為的人體模型傳熱分析

對于圖4a所示的復(fù)雜曲面模型可采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，適應(yīng)人體曲面造型;對于圖4b中的簡單平面模型可采用六面體網(wǎng)格;而周圍大型或復(fù)雜空間采用以六面體網(wǎng)格為核心的切割體網(wǎng)格.之后，對人體數(shù)學(xué)模型進(jìn)行流固耦合換熱綜合數(shù)值求解，獲得人體表面溫度分布.圖5給出了仿真結(jié)果，供風(fēng)溫度18℃、夏季著裝.

圖5 人體熱特性仿真結(jié)果（℃）

本文采用的相關(guān)參數(shù)，都經(jīng)過實驗的修正，數(shù)值計算得到的人體表面溫度分布趨勢與實驗結(jié)果基本一致.

3 民機(jī)座艙熱舒適性分析

3.1 無迭代PMV熱舒適性方程

環(huán)境舒適性是空間熱設(shè)計和熱環(huán)境評價的重要依據(jù).丹麥范格爾教授提出的預(yù)計熱指標(biāo)PMV（Predicted Mean Vote）考慮了人體熱舒適感諸多相關(guān)因素，因此是最全面而且是最通用的熱環(huán)境評價指標(biāo).它既包括4個室內(nèi)氣候因素:空氣溫度、空氣濕度、空氣速度以及平均輻射溫度，也包括了兩個人為因素:服裝和新陳代謝率.范格爾教授的預(yù)計熱指標(biāo)PMV方程為［5］

式中，M為人體新陳代謝產(chǎn)熱率，W/m2;W為人體對外做功率，W/m2;pa為空氣中的水蒸氣分壓力，kPa;ta為人體周圍的空氣溫度，℃;fcl為服裝的面積系數(shù);αc為人體表面對流換熱系數(shù)，W/（m2·℃ ）為周圍環(huán)境的平均輻射溫度，℃;tcl為衣服外表面溫度，℃，可利用迭代法從下式中求出:

式中，η為對外做功熱系數(shù);Icl為服裝熱阻，m2·K/W.

為了與ASHRAE的熱感覺標(biāo)尺保持一致，PMV采用7點(diǎn)生理、心理熱感覺標(biāo)尺.根據(jù)PMV方程，測出空間內(nèi)空氣溫度、平均輻射溫度、相對濕度、空氣流速，然后針對人體服裝和活動情況進(jìn)行取值，得到影響PMV的6個參數(shù)，獲得空間內(nèi)熱環(huán)境的PMV指標(biāo)，并可預(yù)測即將發(fā)生改變的室內(nèi)熱環(huán)境舒適性.

雖然上述方法可以實現(xiàn)熱感覺評價，但PMV的計算復(fù)雜，尤其是應(yīng)用于復(fù)雜仿真計算中，必須迭代求解tcl.所以本文提出一種改進(jìn)的無迭代PMV熱舒適性計算方法.

該方法仍然使用式（5），但tcl直接用下式求出，不需要迭代求解:

式（6）是基于人體靜坐、夏季服裝的前提條件.假設(shè)人體周圍環(huán)境溫度ta的樣本空間為［10，35］，通過迭代計算出相應(yīng)的人體表溫度tcl，之后擬合出ta與tcl的關(guān)系而獲得的.

使用該無迭代PMV熱舒適性方程能在大型CFD計算中高效求解出舒適度場分布.

3.2 熱舒適性分析

復(fù)雜空間采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行研究時，往往受限于網(wǎng)格數(shù)量.網(wǎng)格尺寸大、網(wǎng)格數(shù)量少，往往會忽略局部細(xì)節(jié)地方的分析計算;反之，網(wǎng)格尺寸小、網(wǎng)格數(shù)量多，又會受到計算機(jī)處理能力的限制，甚至無法計算.而舒適性數(shù)值分析，關(guān)注的是大型空間中人體局部熱特性，所以分析過程既要符合人體生理熱調(diào)節(jié)過程，又要考慮計算機(jī)處理能力［9］.使用本文提出來的人體熱模型和熱舒適性方程，能夠較為真實、方便地實現(xiàn)該類人員密集空間的舒適性分析.

圖6～圖7給出了多人飛機(jī)座艙乘客熱特性及熱舒適性分析結(jié)果.送風(fēng)溫度18℃、采用45℃上送下回送風(fēng).

圖6 多人飛機(jī)座艙乘客熱特性分析結(jié)果（℃）

圖7 多人飛機(jī)座艙乘客熱舒適性PMV分析結(jié)果（℃）

4 結(jié)論

本文開展了有限空間人員熱特性實驗研究，獲得了人體表面溫度隨周圍環(huán)境的變化規(guī)律.在此基礎(chǔ)上針對民機(jī)座艙環(huán)境，開展了乘客熱特性模型研究，建立了具有熱調(diào)節(jié)行為的人體熱模型，將人體復(fù)雜傳熱抽象為高溫核心區(qū)、血液灌注區(qū)和等效組織區(qū)之間的傳熱，保證計算速度的同時更為真實地模擬了人體傳熱過程，以及與環(huán)境的相互作用過程.該人體熱模型能夠克服常規(guī)人體固定邊界條件模型（定壁溫或定熱流）的不準(zhǔn)確以及復(fù)雜精細(xì)傳熱模型計算量巨大的局限性，與實驗結(jié)果吻合較好.采用該模型結(jié)合文中提出的無迭代PMV熱舒適性方程用于民機(jī)座艙舒適性分析.仿真結(jié)果表明上述分析方法既符合人體生理熱調(diào)節(jié)過程，又能滿足人員密集空間舒適性評價計算量要求.

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Aircraft cabin comfort analysis with human thermoregulation model

Pang Liping Gong Mengmeng Wang Jun
（School of Reliability and Systems Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）
Cui Yi
（Environment Control System Department，Shanghai Aircraft Design and Research institute，Shanghai 200235，China）

The studies about cabin thermal comfort are of great significance in the large aircraft market competition.A reasonable human thermal model is the key to analyze and evaluate the thermal comfort.Based on thermal characteristics experiment of human in the limited space，a human thermal model with the behavior of thermal regulation was established.The complex heat transfer was simplified into the heat transfer among three areas of high temperature core，blood perfusion and the equivalent organization.This model will not only overcome the limitation of the constant wall temperature or constant heat flux density，but in good agreement with the experimental results.Combined with a predicted mean vote（PMV）thermal comfort evaluation method without iterative equation proposed，the comfort in crowded space can be analyzed under the premise of ensuring the calculation speed.Simulation results show that the method can meet the speed requirement when the simulation is for a complex space environment，but also more accurately reflects the human physiological thermal regulation process.

aircraft cabin;thermal comfort analysis;thermal model of human;CFD simulation

V 223+.2

A

1001-5965（2012）02-0166-04

2010-11-16;< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間:

時間:2012-02-21 11:46;

CNKI:11-2625/V.20120221.1146.003

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1146.003.html

龐麗萍（1973－），女，黑龍江海林人，副教授，pangliping@buaa.edu.cn.

（編 輯:李 晶）