某防暴頭盔內置制冷墊制冷過程的數值模擬

項德海武警杭州士官學校軍械系裝備器材教研室

某防暴頭盔內置制冷墊制冷過程的數值模擬

項德海
武警杭州士官學校軍械系裝備器材教研室

以經典Pennes生物傳熱方程作為控制方程，在頭部幾何模型的基礎上，利用ANSYS-Fluent軟件建立了“人體頭部-制冷涼墊”的二維數值傳熱模型，仿真出了310K（37℃）條件下人體頭部穩態溫度場分布。結果表明：該頭盔內置制冷涼墊可有效降低制冷墊對應處的皮膚溫度，最高降溫達2.7K，但對頭部皮膚平均溫度以及頭部深層處溫度無顯著影響。

制冷墊；溫度場；數值模擬

臨床醫學領域，經常在利用小型制冷裝置來進行頭部局部創傷治療和化療減緩脫發，如張亞君等制作了一種可對頭部局部溫度進行控制的醫療制冷頭盔，能滿足一定的醫學制冷要求。受此啟發，本文研制出了一種內嵌于武警某新型防暴頭盔的制冷散熱涼墊（如圖1所示），為了探究該制冷散熱涼墊的降溫效果，利用流體力學軟件ANSYS-Fluent，對該制冷涼墊與人體頭部構成的二維穩態溫度場進行直觀展現。

圖1 某新型防暴頭盔內置制冷墊

1.熱傳導方程

人體頭部由腦組織、血管、骨骼、皮膚、腦脊液等多個部分有機組成，為了問題研究的方便，借鑒多節點模型對人體組織的劃分方式，將頭部從外至內簡化為皮膚層、骨骼層、腦組織層三個主要部分。選取頭部的一個縱向準橢圓切面作為研究對象，分別將橢圓長徑設為184mm，短徑設為150mm，底邊設為82mm。將頭部從外至內簡化為皮膚層、骨骼層以及腦組織層三層結構，皮膚層和骨骼層的厚度分別設置為2mm、12mm，其余區域按腦組織層處理。采用Pennes方程來描述頭部各組織層的穩態傳熱過程，其具體表述為：

據此分別寫出頭部皮膚層（skin）、骨骼層（bone）、腦組織層（brain tissue）的熱傳導控制方程如下：

公式中s、b、bt分別代表頭部皮膚層（skin）、骨骼層（bone）和腦部組織層（brain tissue）。

2.仿真參數設置

本文的仿真參數主要包括制冷散熱涼墊的制冷量、環境溫度以及人體頭部各組織層的密度、比熱容、導熱系數、新陳代謝量和血液灌注率等。在ANSYS-Fluent軟件中，將制冷墊的制冷量設定為6×10-3W/cm2（這里的制冷量，由制冷墊在ANSYS-Fluent軟件中的計算數據換算而得），環境溫度設置為308K。采用生理界常用的“標準人（standardman）”的概念，分別將皮膚、骨骼、腦組織的密度設置為1000 kg·m-3、1500kg·m-3、1000kg·m-3，血液灌注率設置為0.35 kg·m-3·s-1、0、6.232 kg·m-3·s-1（這里假設骨骼層由均勻固態物質組成），導熱系數設置為0.209W·m-1·K-1、0.581W·m-1·K-1、0.5W· m-1·K-1，代謝產熱設置為0、0、9678W·m-3。頭部血液溫度和比熱容分別取值為310K、3850J·Kg-1·K-1。

3.數值模擬結果與分析2

在迭代次數為2000，殘差監控臨界值為1e-07的情況下，得出了“人體頭部-制冷涼墊”系統的二維穩態溫度場分布，如圖2所示。

圖2 “人體頭部-制冷涼墊”系統二維穩態溫度場

由圖2可知，制冷墊對應的頭部皮膚處最低溫度為301.91K，頭部其它皮膚溫度為304.61K，二者相差2.7K，表明該頭盔內置的制冷墊對頭部局部皮膚處的降溫效果十分明顯，對頭部皮膚的整體降溫效果不明顯。此外，從圖2還可看出，頭部骨骼層及骨骼層以下區域的溫度幾乎沒有什么變化，分布在307.30K與310.00K之間，表明該制冷散熱墊不會將制冷量傳遞至頭部皮膚層以下的深層區域，不會影響到頭部深層區域的新陳代謝及其它生理活動，說明該制冷方式是安全可行的。本文的研究可為人體頭部防護著裝的散熱設計提供一定的技術牽引指導。

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