CN111444594A

CN111444594A - 一种用于优化气体降温服结构的模拟方法

Info

Publication number: CN111444594A
Application number: CN202010143689.9A
Authority: CN
Inventors: 游波; 刘何清; 施式亮; 鲁义; 罗文柯; 李润求; 李贺
Original assignee: Hunan University of Science and Technology
Current assignee: Hunan University of Science and Technology
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: CN111444594B

Abstract

本发明公开了一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，利用三维软件建立模型形成微空间，把模型网格化后导入商业软件Fluent，设置边界条件，输入通过实验得出的不同劳动强度、通风量和环境温度，采用有限体积法，运行软件，得出在不同劳动强度、通风量和环境温度条件下，微空间内的环境温度、微空间内的风速和人体皮肤温度的数值，并与实验数据对比，当误差值在可接受范围内时，调节气体降温服模型的结构，以得到最佳效果。采用这种仿真模拟可快速有效地检测到微空间内的数据，克服了现有通过实验获取微气候数据的方法存在场地要求高、操作难度大、反复操作费时费力的问题。

Description

一种用于优化气体降温服结构的模拟方法

【技术领域】

本申请涉及降温服技术领域，尤其涉及一种用于优化气体降温服结构的模拟方法。

【背景技术】

高温工作环境严重影响工人的工作效率，并容易造成人的中枢神经系统失调，使人疲劳、精神恍惚，从而造成事故率上升。穿着降温服是抵御高温侵害的有效方法之一。

根据降温服的冷却原理和冷却介质的不同，降温服可分为气体降温服、液体降温服和相变降温服三大类。气体降温服主要利用自然状态的空气或者压缩空气或者经制冷设备产生的冷空气，以蒸发和对流换热的方式实现对人体的冷却。

在对气体降温服的研究中发现，人体皮肤层与着装内表面之间形成的狭小空气层间隙内的气流温度、湿度以及气流速度等微气候条件可体现气体降温服的制冷效果，即穿着者的舒适度。通常，我们把人体皮肤层与着装内表面之间形成的狭小空气层间隙称作为服装微空间。因此通常通过检测服装微空间内的气流温度、湿度以及气流速度等微气候数据对评价气体降温服的制冷效果。

现有对微气候数据的检测，通常采用实验方式或理论推导。采用这种方法，当需要反复试验以优化结构达到最佳效果时，通过反复实验获得数据将不可避免地存在场地要求高、操作难度大、反复操作费时费力等问题。

【发明内容】

本发明针对上述现有的通过实验以优化结构时存在的场地要求高、操作难度大、反复操作费时费力的问题做出改进，本发明要解决的技术问题是提供一种用于优化气体降温服结构的模拟方法。

为解决上述技术问题，一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一，使用三维建模软件solidworks建立人体模型和气体降温服模型，所述人体模型与所述气体降温服模型之间形成用于压缩空气流动的微空间，所述气体降温服模型包括气体降温服本体和设置在所述气体降温服本体内侧的供气管，所述供气管包括呈环形设置在所述气体降温服本体下缘的供气总管和设置在所述供气总管上沿所述气体降温服本体延伸的供气支管，所述供气支管上设有出气孔；

步骤二，对所述人体模型和所述气体降温服模型进行网格划分；

步骤三，把所述人体模型和所述气体降温服模型导入Fluent，设置边界条件，所述边界条件包括速度入口、热通量边界、压力出口和出口流量；

步骤四，采用有限体积法计算，湍流模型选择可实现k-ε模型；压力与速度藕合选择SIMPLE算法；湍动能、湍流耗散率选择二阶迎风格式离散化，压力方程选择PRESTO！格式；动量、能量两个方程选择二阶迎风格式；

步骤五，根据数值计算的结果与实验数据对标，误差在可接受范围内时，可认定模型正确，若误差超出接受范围，则返回步骤二，重新调整网格再次计算；

步骤六，数值计算的结果与实验数据的误差在可接受范围内时，调节所述供气支管的分布情况和所述出气孔的分布情况，仿真计算得到最佳的设计方案。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述步骤三中，边界条件初始值按照试验测量参数修改，所述步骤四中，控制方程具体如下：

质量守恒定律：

式中μ、v、w分别表示流体沿x、y、z方向的速度矢量，ρ为流体的密度；

动量守恒方程:

能量守恒方程:

其中，Cp代表定压比热容，t代表微元体温度，τ代表单位时间，λ代表导热系数，S代表内热源，V代表速度量。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述供气总管的入口设为所述速度入口、所述人体模型设成所述热通量边界条件、所述气体降温服本体上的袖口、领口和空气层最末端设成所述压力出口，所述压力出口的气体流量设定为出口流量。。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述出气孔为独立处在运算域中，设为interior条件。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述气体降温服模型呈背心马甲式。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述气体降温服本体、所述供气总管和所述供气支管为厚度为零的曲面。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述供气管与所述气体降温服本体之间存在间隙。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述人体模型包括前胸部分和后背部分，所述气体降温服模型与前胸部分的间隙大于所述气体降温服模型与所述后背部分的间隙。

作为上述一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的一种改进，所述人体模型为人体上体躯干的皮肤层，所述人体模型各项尺寸数据将参考我国国家标准GB-10000-88。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供了一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，利用三维软件建立模型形成微空间，把模型网格化后导入商业软件Fluent，设置边界条件，采用有限体积法，运行软件，得出用于评价气体降温服的制冷效果的参数，参考包括微空间内的风速、微空间内环境温度和人体温度。把软件得到的数据与实验数据对比，当误差在可接受范围内时，调节气体降温服模型的结构，以得到最佳效果。采用这种仿真模拟可快速有效地检测到微空间内的数据，克服了现有通过实验获取微气候数据的方法存在场地要求高、操作难度大、反复操作费时费力的问题。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本申请于优化气体降温服结构的模拟方法中人体模型的主视图；

图2为本申请于优化气体降温服结构的模拟方法中人体模型的立体图；

图3为本申请于优化气体降温服结构的模拟方法中气体降温服模型的主视图；

【具体实施方式】

为了使本申请所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，包括以下步骤：

采用上述方法步骤，可快速有效地检测到微空间内的数据，根据数据可反复调整气体降温服的结构直至得到满意的结构，由此可知，克服了现有的通过实验以优化结构时存在的场地要求高、操作难度大、反复操作费时费力的问题。

进一步，所述步骤三中，边界条件初始值按照试验测量参数修改，所述步骤四中，控制方程具体如下：

质量守恒定律：

动量守恒方程:

能量守恒方程:

进一步地，上述步骤三中，压缩空气入口即所述供气总管的入口设为所述速度入口(velocity-inlet)，这种情况下，能有效设置入口速度与温度；所述供气支管，所述出气孔每相隔20mm开设1个，独立处在运算域中，禁止设成outlet，因为这些全部归属内部边界范畴，故而设为interior条件；所述人体模型，即皮肤层，设成所述热通量边界条件(具备恒定产热量)，所述热通量边界条件的数值可根据实验过程中不同的跑步速度得出的劳动强度确定；压缩空气到达微空间时，可和人体出现对流、辐射换热，气温不断上升，接着需要向外界排出，把所述人体模型的袖口、领口、空气层最末端设成所述压力出口(pressure-outlet)，并设定所述压力出口的目标流量，该值根据所述供气总管的入口设定的风量确定。

在进行数值模拟时，为进一步消除复杂性，对气体降温服传热过程做如下假：

①稳态传热；

②不考虑服装与管路厚度；

③微空间周围的环境空气处于静止状态；

④不考虑环境空气湿度的影响以及压缩空气密度的变化；

⑤不考虑呼吸散热及汗液蒸发散热。

上述步骤四中，通过可实现、标准两种k-ε模型的相比，前者能够给湍流黏性多引入一公式，而且能够给耗散率应用全新传输方程，如此一来，使得可实现k-ε模型在强流线弯曲、旋涡等方面比标准k-ε模型具有更好的表现，同时一些研究表明可实现k-ε模型在预测复杂二次流方面有很好的作用。

SIMPLE算法属于半隐式法，可满足压力藕合方程组计算需求，一般负责计算不可压流场。核心思路在于遵循“猜测—修正”程序，以交错网格为前提求出压力场，最后完成Navier-Stokes方程计算。面向指定压力场，无论猜测结果，亦或前一轮迭代结果，SIMPLE会以此求解离散化建立动量方程，确定速度场。这种情况下，应当合理修正指定压力场，具体要求如下：当其修正时，所关联速度场完全符合该轮迭代质量方程。遵照这一标准，动量方程中速度、压力迭代关系代入质量方程(两方程均为离散类型)，借此建立压力修正方程，求得对应修正值，接着利用修正后结果求得全新速度场。如此一来，需要确认速度场有无收敛，如果没有，按照修正后结果开展下轮迭代，一直到最终收敛为止。

PRESTO！方式适用于高旋流强度流、高雷诺数自然对流、高速旋转流、含有多孔介质的流动以及流域形状有强烈弯曲的流动。

进一步地，步骤一中，所述气体降温服模型呈背心马甲式，在SolidWorks中建模时，首先按照尺寸参数，画出不同水平、垂直截面上的轮廓线，其次利用各项曲线建模功能(包括放样、缝合等)完成本次建模工作。所述气体降温服本体、所述供气总管和所述供气支管为厚度为零的曲面，不考虑所述气体降温服本体、所述供气总管和所述供气支管的厚度，凭借曲面表征，不但可使模型得到有效的简化，而且可以维护运算精度，防止产生负面影响。

进一步地，步骤一中，所述供气管与所述气体降温服本体之间存在间隙。由于气体降温服利用压缩空气达到制冷目标，故而所述人体模型与所述气体降温服模型之间需要保留相应间隙，借此建立空气夹层。在实际的气体降温服，供气管路是与气体降温服内层紧贴在一起的，而建模过程中若采用这种结构，将无法实现模型的后续处理，所述供气管与所述气体降温服本体之间存在间隙，有利于模型后续处理

进一步地，步骤一中，所述出气孔间隔为80mm，各供气支管上每间隔20mm布置一个出气微孔。

进一步地，步骤一中，人体在穿着气体降温服进行工作时，上体躯干与服装前后的间隙不一致，具体属于前宽后窄型。根据这一特性，在建模的过程中，所述气体降温服模型与前胸部分的间隙大于所述气体降温服模型与所述后背部分的间隙。具体地，所述气体降温服模型与前胸部分的间隙取为20mm，所述气体降温服模型与与所述后背部分的间隙取为16mm。

进一步地，步骤一中，针对研究对象多样性以及研究意义更具普遍性问题，所述人体模型各项尺寸数据将参考我国国家标准GB-10000-88，同时综合考虑矿山井下工人的具体身形。鉴于所研究的气冷服为背心式马甲，其换热过程只涉及到人体的上体躯干，并未涉及人体四肢和头部，故而仅用构建上体躯干模型，无须构建全身模型，考虑到这种情况，仅用确定上体躯干尺寸参数即可。

进一步地，为了优化指导仿真测试中的参数设定和检验仿真测试得到的数据的可靠性，会通过真人实验获取实验数据作为数据支持。在进行仿真测试的过程中，通过真人实验得出的数据，如劳动强度、通风量和环境温度，得出在不同劳动强度、通风量和环境温度条件下，微空间内的环境温度、微空间内的风速和人体皮肤温度的数值。

实验发现，当风量为10m³/h和14m³/h时，气冷服能满足人体在中、重度劳动强度下人体热舒适性的要求，因此仿真模拟时选取入口风量为10m³/h和14m³/h，转化为相应的风速分别是35.4m/s和49.5m/s，从而对不同环境温度(30℃、32℃、34℃)及不同劳动强度(中度为276W/m²、重度为505W/m²)下的微空间内人体皮肤温度及微空间内环境温度进行模拟研究。

表1-表4为上述不同劳动强度、通风量和环境温度条件下，微空间前后左右四个部分平均温度模拟数据：

表5-表8为上述不同劳动强度、通风量和环境温度条件下，上半身各部位皮肤温度仿真模拟结果：

进一步地，进行了理想情况数值模拟。在实验过程中，通入气体降温服的压缩空气较大一部分会沿着服装最底端进入环境中，这部分空气并未与人体进行换热，没有得到利用。因此，为了使通入的空气被完全地利用，需要让空气完全地进入人体与服装之间的微环境中，充分地与人体进行换热，最大程度地强化对流换热与蒸发换热。基于此，可将气体降温服最下端设计成具有一定的弹性，这样就可以保证气流基本上都从气冷服的领口及袖口流出，最大程度的利用压缩空气，以期达到更好的降温效果。在模拟过程中，将最底端由出口(out)改为壁面(wall)，模型假设、边界条件以及其他条件保持不变。

实验所得微环境数据如表9-表12所示：

实验所测得的皮肤温度如表13-表16所示：

表13中度劳动(10m³/h)

Tab.13Moderate work(10m³/h)

表14重度劳动(10m³/h)

Tab.14Heavy work(10m³/h)

表15中度劳动(14m³/h)

Tab.15Moderate work(14m³/h)

表16重度劳动(14m³/h)

Tab.16Heavy work(14m³/h)

综上对比可知，模拟结果与实验结果具有较好的一致性，模拟与实验之间的误差在可接受的范围内。

本发明方案一种用于优化气体降温服结构的模拟方法的工作原理如下：

本发明提供了一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，利用三维软件建立模型形成微空间，把模型网格化后导入商业软件Fluent，设置边界条件，输入通过实验得出的不同劳动强度、通风量和环境温度，采用有限体积法，运行软件，得出在不同劳动强度、通风量和环境温度条件下，微空间内的环境温度、微空间内的风速和人体皮肤温度的数值，并与实验数据对比，当误差值在可接受范围内时，调节气体降温服模型的结构，以得到最佳效果。采用这种仿真模拟可快速有效地检测到微空间内的数据，克服了现有通过实验获取微气候数据的方法存在场地要求高、操作难度大、反复操作费时费力的问题。

应当理解的是，本申请中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。此外，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

如上所述是结合具体内容提供的一种或多种实施方式，并不认定本申请的具体实施只局限于这些说明。凡与本申请的方法、结构等近似、雷同，或是对于本申请构思前提下做出若干技术推演，或替换都应当视为本申请的保护范围。

Claims

1.一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，所述步骤三中，边界条件初始值按照试验测量参数修改，所述步骤四中，控制方程具体如下：

质量守恒定律：

动量守恒方程:

能量守恒方程:

3.根据权利要求2所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，所述供气总管的入口设为所述速度入口、所述人体模型设成所述热通量边界条件、所述气体降温服本体上的袖口、领口和空气层最末端设成所述压力出口，所述压力出口的气体流量设定为出口流量。

4.根据权利要求3所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，在所述步骤二中设定边界条件时，所述出气孔为独立处在运算域中，设为interior条件。

5.根据权利要求1所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述气体降温服模型呈背心马甲式。

6.根据权利要求5所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述气体降温服本体、所述供气总管和所述供气支管为厚度为零的曲面。

7.根据权利要求6所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述供气管与所述气体降温服本体之间存在间隙。

8.根据权利要求7所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述人体模型包括前胸部分和后背部分，所述气体降温服模型与前胸部分的间隙大于所述气体降温服模型与所述后背部分的间隙。

9.根据权利要求8所述的一种用于优化气体降温服结构的模拟方法，其特征在于，所述人体模型为人体上体躯干的皮肤层，所述人体模型各项尺寸数据将参考我国国家标准GB-10000-88。