CN102012973A - 适于复杂空间环境的人体热模拟建模方法 - Google Patents

Abstract

适于复杂空间环境的人体热环境模拟的建模方法，其特征在于包括：把人体模型划分为从内到外的人体高体温核心区(11)、血液灌注区(12)、等效组织传热区(13)；用非稳态传热方程求解所述人体高体温核心区(11)、血液灌注区(12)、等效组织传热区(13)的温度分布。本发明引入人体自身热调节行为，得到人体表面温度分布，改变了以往单纯由环境参数判断人体热舒适性的局限性。本发明以流固共轭换热分析理论为基础，获得人体组织固体区域温度场，实现大型空间中数值人体模型内部热量传递过程模拟。

Description

适于复杂空间环境的人体热模拟建模方法

技术领域

本发明涉及一种具有热调节能力的人体热模型，适合应用于大型复杂空间环境下的人体传热分析与人体热舒适性设计。

背景技术

热舒适性是20世纪初提出的工程概念，是用于反应人体对周围环境在主观心理感知过程的指标。以往针对大型复杂空间的热舒适性研究主要采用数值计算方法，通过将热舒适性评价指标与周围热环境建立关系，探索环境参数变化对人体热舒适性变化规律，达到用环境参数评价与预测舒适性。传统的研究方法由于人体曲面建模在CFD软件的适应性、网格划分的可实现性以及计算机处理能力等因素的制约，往往需要对人体模型进行一定适当简化，将人体表面直接作为空气流动计算域的边界，采用定壁温或定热流密度的边界条件来模拟人体与周围环境的相互作用。一种有代表性的人体建模方案是盒形数值暖体假人模型，其以简单的几何外形和突破网格划分及计算机处理能力限制等优点，而得以快速发展，先后发展出基于人体解剖学和人体节段划分理论的6节段、16节段等盒形数值暖体假人，如图1a所示。在如图1a所示的传统数值人体模型中，标号1表示嘴，2表示头，3表示脸，4表示上臂，5表示下臂，6表示胸，7表示手，8表示大腿，9表示小腿，10表示脚。图1b给出了更为精细的人体64节段曲面暖体假人模型。

但现有的数值暖体假人建模方法存在以下不足：

-传统盒形数值模型将人体表面作为计算域的边界，一定程度上反映人体对周围环境的影响，但不能反映真实的人体热调节能力。

-在将人体表面处理为定壁温传热时，人体不具备热调节能力，不能反映周围环境对人体的热影响，仅适用于绝对舒适环境中，如图2a的传统定温度边界人体模型体表温度分布图所示，人体温度始终保持指定温度，不随周围环境温度而变化。

-虽然在如将人体表面处理为定热流密度的边界条件传热时，可一定程度上反映了人体的热调节能力，但计算时会出现人体局部热积聚现象，如图2b的传统定热流边界人体模型体表温度分布图所示，严重时局部体表温度会达到50℃以上，这显然严重背离了实际情况。

-实际人体表面不同区域存在温度梯度，且散热量也不同；传统人体建模的一个局限，是往往把人体表面的传热特性作为固定情况处理。

-盒形人体建模虽然在一定程度上保持了人体形状，但不能完全准确的反应人体复杂几何外形对空间空气流场的影响。

-现有的曲面假人人体建模虽然尽量保持了人体形状以及尽可能地体现更为合理的人体传热效果，如图2c，但是由此也带来了计算量巨大的问题，如果应用于大型复杂空间环境下的多人传热及舒适性分析中，则会导致多人复杂空间传热及舒适性分析计算灾难。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种适于复杂空间环境的人体热环境模拟的建模方法，其特征在于包括：

把人体模型划分为从内到外的人体高体温核心区、血液灌注区、等效组织传热区；

用非稳态传热方程求解所述人体高体温核心区、血液灌注区、等效组织传热区的温度分布。

附图说明

图1a和1b为传统数值人体模型。

图2a-2c为传统数值人体模型体表温度分布云图。

图3为本发明数值暖体假人模型外观示意图。

图4为本发明的具有热调节行为的人体热模型结构示意图。

图5为本发明内部高温核心区和血管结构示意图。

图6为本发明人体传热区域示意图。

图7为本发明的具有热调节行为的人体热模型表面温度分布云图。

图8为本发明的具有热调节行为的人体热模型的典型应用场合。

具体实施方式：

针对现有技术的问题，本发明人进行了深入研究，并提出了本发明的解决方案，其特点包括：1、引入了人体热调节活动行为，保证人体温度随着周围环境温度而合理变化，并能体现实际情况中的人体温度梯度分布现象；2、降低了人体几何形状对空气流场的影响，采用人体包面技术进行近假真实人体建模；3、直接反映人体局部热舒适性；4、提高了人体与环境间热交换计算的准确性。

本发明的各种实施例中包括的主要技术手段包括：

-通过人体工程学软件对数值人体模型进行曲面建模，并使其能够适用于CFD软件计算，如图3的本发明的数值暖体假人模型外观示意图所示；其中，以国家标准GB/T10000-1988《中国成年人人体尺寸》为建模依据；

-依据现有的生理学和解剖学资料，将人体进行节段划分，分为头部、躯干、上肢、手、下肢、足等，不同节段具有不同的热物理参数；

-通过分析人体内部热量过程，结合实验结果将真实人体复杂的三维传热系统，抽象成人体高体温核心区11、血液灌注区12和等效组织传热区13，如图4中的本发明的具有热调节行为的人体热模型结构示意图所示。通过等效组织传热和血液灌注对流换热，模拟了更为真实的人本热量从体内传向体表的三维热传递过程。

传统的数值人体模型都没有考虑人体组织间的热传导和血液的对流换热过程。本项发明从多个方面对传统模型加以改进，提出了具有热调节行为的人体热模型。

首先，提出人体高体温核心区概念。从传热学的观点来看，人体相当于一个含内热源的三维传热系统。人体不断地通过生化过程释放能量，同时人体也会从环境中通过对流、辐射和汗液蒸发获得或失掉能量，但人体的生理机能决定了必须维持体温近似恒定才能保证人体各项功能正常。人体的代谢活动相当于人体内热源，维持了人体核心温度维持在一个相对窄的范围内，本发明人由此而提出人体高体温核心区概念。

其次，把人体除高体温核心区外的其余部分简化为等效组织传热区。人体是一个非几何对称的物理实体，并且人体内各种组织的分布也是不均匀的。根据现有人体解剖学数据，同时考虑到人体不同部位的传热特点，将人体进行节段划分，即头、躯干、上肢、手、下肢、足。不同的节段由各种组织构成，这些组织主要包括：内脏、血管、骨骼、肌肉、结缔组织、脂肪、皮肤等。不同组织的热物理特性(导热系数、密度、比热容)存在较大差别，本发明的建模方法中，根据人体各节段几何参数及质量分配数据，计算出各个阶段的等效热物理参数值，从而把人体除高体温核心区外的其余部分就简化为等效组织传热区，不仅简化了算法操作，而且更真实有效地模拟了实际人体的相关热过程。

再者，提出了血液灌注概念。由于人体所有组织都是热的不良导体，没有血液灌注的人体组织其导热性很差，如果体内的热量传递仅仅依靠热传导，则需要很大的温度梯度才能满足热量传递的需要。血液对人体组织的灌注极大地改善了组织的传热能力，从而改善了体内的传热状况。人体内血液的对流换热主要取决于两个因素，即血流量的大小和血液同组织间的温差。在本发明中提出了血液灌注概念。在如图5的本发明的内部高温核心区和血管结构示意图所示的本发明的具体实施例中，进一步把人体血管等效为头部血管14和躯干血管15，从而改善等效固体传热区的传热性能模拟。

本发明的优点包括：

1、与传统定边界条件数值人体模型相比，由于本发明采用的人体热模型为一个含内热源的三维传热系统，并考虑人体组织间热传导和血液对流换热，使得数值人体模型更加接近实际生理过程。与多节段精细人体模型相比，大大提高了人体传热计算效率。

2、本发明依据解剖学理论和大量解剖学数据，采用以各节段质量分配为基础，计算出各节段等效热物理参数，可以获得人体表面各个部分的温度梯度。

3、本发明的数值人体模型采用三维曲面建模及包面技术，是人体模型的几何外形逼真真实人体，极大的减小了外形对空气流场的影响，提高了数值计算结果的准确性。

4、本发明中采用的相关参数，都经过试验的修正，数值计算得到的人体表面温度分布趋势与试验结果一致。

下面将结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明。

本发明的建模方法主要适合于为大型空间舒适性设计而进行的数值计算分析，尤其是人员密集和/或空间狭小的环境，如图8的本发明的具有热调节行为的人体热模型的典型应用场合示意图所示的多人飞机座舱，以及其它类似的有限空间，如潜艇舱室、战斗机驾驶舱、载人航天器、火车车箱等。

大型空间采用数值仿真方法进行研究时，往往受限于网格数量。网格尺寸大，网格数量少，往往会忽略局部细节地方的分析计算；反之，网格尺寸小，网格数量多，又会受到计算机处理能力的限制，甚至无法计算。而舒适性数值分析，关注的是大型空间中人体局部热特性，分析过程要符合人体生理热调节过程。

由于人体是一个非常复杂的三维传热系统，组织的导热系数较小，体内不同部位之间的热量传递主要通过血液的对流换热完成。但血液对流换热的计算在很大程度上取决于对血管分布特性的了解。在以数值分析为目的的建模中，既要考虑血液对流换热对人体各部分温度的影响，也要考虑增加血管对流换热给计算机处理能力带来的负担，因此，本发明的建模方法，在真实人体皮肤表面温度试验数据的基础上，将全身不同类型血液(中等几何尺寸血管、大血管以及小血管)的对流换热及逆流热交换统一等效成各节段组织层内“虚设”的中等几何尺寸血管的对流换热，如图4的具有热调节行为的人体热模型结构示意图所示，其中，人体模型从内到外划分为人体高体温核心区11、血液灌注区12和等效组织传热区13。通过等效组织传热和血液灌注对流换热，实现了较为真实的人本热量从体内传向体表的三维热传递过程。

人体组织层根据解剖学数据划分为不同节段，虽然构成各节段的组织不同，但可以根据节段中各种组织所占质量的不同，获得等效组织的热物理参数，进而计算组织间热量的传递。研究发现，头部、颈部的汗腺及血管分布比较发达，这一节段温度梯度较大，而全身温度梯度最小的部位为下肢，血管分布较少，组织传热的作用相对较大。躯干内部的体核温度恒定在37℃，相当于人体内部的内热源。血液从体核出发将热流带到各个组织，经过充分换热后，流回体核。本发明的建模方法，适合了人体的这些特点，在血管的热功能模拟中相应地有所侧重，将人体血管12又等效为流经头部的干流血管14和15(见图5)，从而避免了精细处理时对网格划分及计算机的处理带来过大负担。

人体热模型常规的处理方法是仅将体表视为定壁温或定热流密度的边界条件，即体表温度T_s＝定值或者体表热流q_体表＝定值。

而本发明将其发展为人体内部复杂的流固耦合传热模型，传热区域划分如图6的本发明人体传热区域示意图所示的各个区域，则如图4和6中所示的传热模型遵循如下的非稳态传热方程：

等效组织传热区13满足固体属性传热方程：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)=\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}$

血液灌注区14和15满足流体传热方程：

$\frac{d{T}_b}{\mathrm{d\τ}}=\frac{{\mathrm{\α}}_3\mathrm{\πd}}{2m_b{c}_b}(T_b-T)$

等效组织传热区13和血液灌注区14、15满足流固耦合传热方程：

上述传热模型需要满足如下两个内、外边界条件：

高体温核心区11与等效组织传热区13交界内边界条件：

其中高体温核心区温度T_H＝37℃。

人体表面(等效组织传热区13与周围环境18的交界)外边界条件：

式中x、y、z为人体内坐标，m；T、T_f、T_H和T_b分别为人体组织、近人体周围环境、高体温核心区和血液沿程温度，℃；λ、ρ、c分别为体内组织等效导热系数w/(m·℃)、密度kg/m³、比热容J/(kg·℃)；τ为时间，s；α₁、α₂、α₃分别为高温核心区内表面、人体表面、等效血液灌注区内表面对流换热系数w/(m²·℃)；d为人体等效血管直径，m；m_b和c_b分别为血液的质量kg和比热容J/(kg·℃)，n₁、n₂和n₃分别为11与13交界、13与18交界、12与13交界的传热法向方向。

如此，本发明基于人体内部具有流固耦合特性的传热模型，并结合内外边界条件，使得人体传热过程的模拟与实际情况更加相符。

在基于本发明的建模方法的数值仿真中，本发明的数值暖体假人模型采用多面体网格技术进行网格划分，适应人体表面的曲面造型，而大型空间则采用以六面体网格为核心的切割体网格；人体数学模型则采用流固耦合热交换模型，将血液(液体)的流动换热、组织(固体)导热以及空气(气体)的对流换热综合求解，获得人体表面温度分布，从而分析得到人体各部分局部的热舒适性感受。图7的本发明的具有热调节行为的人体热模型表面温度分布云图给出了使用本发明的模型获得的人体热性能数值仿真结果。

本发明的效果

本发明引入人体自身热调节行为，得到人体表面温度分布，改变了以往单纯由环境参数判断人体热舒适性的局限性。

本发明中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

本发明以流固共轭换热分析理论为基础，获得人体组织固体区域温度场，实现大型空间中数值人体模型内部热量传递过程模拟。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (8)

1.适于复杂空间环境的人体热环境模拟的建模方法，适用于大型流体计算分析中，其特征在于包括：

把人体模型划分为从内到外的人体高体温核心区(11)、血液灌注区(12)、等效组织传热区(13)；

用非稳态传热方程求解所述人体高体温核心区(11)、血液灌注区(12)、等效组织传热区(13)的温度分布。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于所述非稳态传热方程包括：

等效组织传热区(13)满足的固体属性传热方程，以及

血液灌注区(12)满足的流体传热方程。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于所述用非稳态传热方程求解温度分布的步骤还根据了：

等效组织传热区(13)和血液灌注区(12)所满足的流固耦合传热方程。

4.根据权利要求2的方法，其特征在于所述固体属性传热方程具有如下数学式所表征的形式：

$\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)+\frac{\∂}{\∂y}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂y}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂z}\right)=\mathrm{\ρc}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}},$

所述流体传热方程具有如下数学式所表征的形式：

$\frac{d{T}_b}{\mathrm{d\τ}}=\frac{{\mathrm{\α}}_3\mathrm{\πd}}{2m_b{c}_b}(T_b-T),$

式中x、y、z为人体内坐标，m；T和T_b分别为人体组织和血液沿程温度，℃；λ、ρ、c分别为体内组织等效导热系数w/(m·℃)、密度kg/m³、比热容J/(kg·℃)；τ为时间，s；α₃为等效血液灌注区内表面对流换热系数w/(m²·℃)；d为人体等效血管直径，m；m_b和c_b分别为血液的质量kg和比热容J/(kg·℃)。

5.根据权利要求3的方法，其特征在于所述流固耦合传热方程具有如下数学式所表征的形式：

式中x、y、z为人体内坐标，m；T和T_b分别为人体组织和血液沿程温度(℃)；λ为体内组织等效导热系数w/(m·℃)，α₃为等效血液灌注区内表面对流换热系数w/(m²·℃)，n₃为12与13交界的传热法向方向。

6.根据权利要求1-5中任何一项的方法，其特征在于所述用非稳态传热方程求解温度分布的步骤是根据如下边界条件进行的：

高体温核心区(11)与等效组织传热区(13)之间的内边界条件，以及

等效组织传热区(13)与周围环境(18)之间的外边界条件。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于

所述内边界条件具有如下数学式所表征的形式：

所述外边界条件具有如下数学式所表征的形式：

式中x、y、z为人体内坐标，m；T、T_f、T_H和T_b分别为人体组织、近人体周围环境、高体温核心区和血液沿程温度，℃；λ、ρ、c分别为体内组织等效导热系数w/(m·℃)、密度kg/m³、比热容J/(kg·℃)；τ为时间，s；α₁、α₂、α₃分别为高温核心区内表面、人体表面、等效血液灌注区内表面对流换热系数w/(m²·℃)；d为人体等效血管直径，m；m_b和c_b分别为血液的质量kg和比热容J/(kg·℃)，n₁和n₂分别为11与13交界、13与18交界的传热法向方向。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于所述人体模型采用多面体网格技术进行网格划分，而所述周围环境则采用以六面体网格为核心的切割体网格。

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