CN111611753A - 一种温度均匀升温毯的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种温度均匀升温毯的设计方法，包括S1：采集数据，包括升温毯的结构尺寸，热风量，风速，粘性阻力系数、惯性阻力系数等；S2：使用软件进行建模，建模包括建立升温毯二维平面图和三维实体模型；S3：利用计算流体力学软件进行升温毯温度场分布的仿真分析；S4:温度场是否均匀，是否满足设计要求，若满足设计要求则完成设计,若不满足则返回S2，重新设计升温毯内部流道结构，再进行温度场仿真，直到满足设计要求为止。本发明的一种温度均匀升温毯的设计方法通过三维计算流体力学分析方法对升温毯的温度场进行仿真分析，来预估设计效果，节约设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种升温毯，具体涉及基于计算机仿真计算的温度均匀升温毯的设计方法。
背景技术
升温毯主要材质是热塑性聚氨酯材料，耐臭氧，耐低温，耐酸碱腐蚀；蜂窝状设计，表面柔软，可任意折叠，其主要作用是起到支撑人体和给人体提供一定的热量的作用，尤其是在手术期间，手术室内温度较低，一般温度控制在22-25摄氏度，但过低的温度，会造成病人的体温下降，免疫力下降，可能对手术的过程产生不可预见的情况，因此需要采取特殊措施提高病人的体温，升温毯是比较专业的升温产品，其基本原理是通过通热空气使升温毯膨胀，热空气随升温毯表面的细孔排出，升温毯表面温度跟患者的身体接触，从而达到调节患者身体温度的作用。而现有的升温毯因结构设计问题，毯面温度时常不均匀，用户体验效果差，而现有的设计方法无法解决很好的解决该技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种温度均匀升温毯的设计方法，使用该方法的设计周期短、成本低。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：采集升温毯的结构尺寸，热风量，风速，粘性阻力系数、惯性阻力系数及环境温度；S2：建模，建模，使用三维软件建立升温毯模型；S3：利用计算流体力学软件进行升温毯温度场分布的仿真分析，获得现有升温毯的温度场仿真结果；S4: 根据升温毯的温度场仿真结果，分析升温毯温度是否均匀，若升温毯温度均匀则满足设计要求，完成设计；若温度不均匀，则重新设计升温毯的内部流道结构，并返回S2。
进一步地，所述步骤S3中的仿真分析的流程步骤为：
1）计算域计算模型建立：根据实体模型建立流体域的三维模型，所述流体域三维模型包括升温毯内部的流体域模型和升温毯外部的流体域模型；
2）体网格划分，对包括内流、外流域和其它部分模型进行网格划分，使用的是四面体网格划分，升温毯透气空部分采用多孔介质模型进行模拟；
3）计算求解：对升温毯进行温度场分布计算求解；
4）计算结果处理：获得升温毯的切面温度场云图及各个温度测点的数据。
进一步的，所述仿真分析的流程步骤3）中的温度场分布计算求解过程为：
A1：设定材料属性，包括升温毯入口热流量，风速，入口温度，空气密度，粘度物理参数
A2:设定多孔介质模型参数：设定渗透率、粘性阻力系数、惯性阻力系数；
A3：设定边界条件：包括速度进口边界（带温度），压力出口边界；
A4：设定湍流模型，使用K-E模型；
A5：进行迭代计算。
进一步地，所述计算流体力学软件为STAR CCM软件。
进一步地，所述步骤S4中重新设计升温毯的内部流道结构的具体方式为：重新设计焊点的数量、焊点之间的间距。
进一步地，在步骤S3中，还包括有一实验验证步骤，具体是：把现有升温毯与通风管连接，用测温枪采集多个检测点的温度，与温度场仿真结果进行对比，若比对结果在允许范围内，则进行下一步骤。
本发明的有益效果是：采用上述方法，先在计算机上建立模型并从流体力学的角度去数值模拟升温毯充气膨胀达到稳态后，通过三维计算流体力学分析方法对升温毯的温度场进行仿真分析，通过改变升温毯内部流道结构，改善升温毯的温度场分布，直至升温毯表面温度场达到均匀，设计周期短，节约设计成本。
附图说明
图1为本发明一种温度均匀升温毯的设计方法的流程图。
图2为本发明中升温毯内部流道及测点示意图。
图3本发明中升温毯温度场分布的网格划分图。
图4为本发明中升温毯温度不均匀时的二维平面图纸及焊点排布。
图5为本发明中升温毯升温毯温度场分布不均匀时的仿真结果图。
图6为本发明中升温毯温度均匀时的二维平面图纸及焊点排布。
图7为本发明中升温毯升温毯温度场分布均匀时的仿真结果图。
具体实施方式
如附图1所示，本发明一种温度均匀升温毯的设计方法，设计方法包括以下步骤：
S1:根据现有升温毯充满热气后的实物图测量其基本长、宽以及膨胀高度，测出各个气道之间的间距大小。如图2所示，箭头所指为内部气流流动方向，各气道的间距大小会影响气流的流动，进而会影响到温度场的分布情况，A~I为温度测试点位置。采集入口风速，风流量；升温毯多孔材料的孔隙率，粘性阻力系数、惯性阻力系数。
S2：使用UG软件进行建模，建模包括建立升温毯二维平面图和三维实体模型；
S3: 利用计算流体力学软件进行升温毯温度场分布的仿真分析，获得现有升温毯的温度场仿真结果；
S4: 根据升温毯的温度场仿真结果，分析温度场是否均匀，是否满足设计要求，若满足设计要求则完成设计,若不满足则返回S2，重新设计升温毯内部流道结构，再进行温度场仿真，直到满足设计要求为止
进一步地，步骤S3中的计算流体力学软件为STAR CCM，其仿真分析的步骤为：
1）计算域计算模型建立：根据实体模型建立流体域的三维模型，所示流体域三维模型包括升温毯内部的流体域模型和升温毯外部的流体域模型；
2）体网格划分，对包括内流、外流域和其它部分模型进行网格划分，使用的是四面体网格划分，升温毯透气空部分采用多孔介质模型进行模拟；最终得到的网格数约为310万，如图3所示；
3）计算求解：对升温毯进行温度场分布计算求解；
4）计算结果处理：包括得到升温毯的切面温度场云图，如图4所示，获得各个温度测点的数据。
进一步的，所述使用STAR CCM软件对升温毯进行温度场计算求解的过程为：
1）设定材料属性，包括升温毯入口热流量，风速，入口温度，空气密度，粘度物理参数；
2）设定多孔介质模型参数：设定材料多孔孔隙率、粘性阻力系数、惯性阻力系数；
3）设定边界条件：包括速度进口边界（带温度），压力出口边界；
4）设定湍流模型，使用K-E模型；
5）进行迭代计算；
下面具体描述下设计升温毯的内部流道结构，使升温毯能达到温度均匀的效果。
过程具体为：
1）根据设计方法的步骤S1-S3获得一款现有升温毯仿真得到温度分布图，如图5；此款升温毯二维平面及焊点分布示意图，如图4所示；根据图5可知，此款升温毯左边部分的温度明显比右边的温度低，存在温度不均的缺陷；
2）温度不均的原因是左侧第一、第二排的焊点位置纵向间距不合理，导致升温毯内部流道沿程阻力过大造成热流难以通过流体通道扩散；如果温度场不均匀，则重新设计焊点的数量、焊点之间的间距，重画二维平面图，如图6所示。再返回步骤S2，生成三维实体模型，再进行温度场仿真，直到满足设计要求为止。得到升温毯温度场分布均匀时的仿真结果图7。
进一步地，在本发明设计方法的步骤S3中，还包括有实验验证的步骤，具体是：
实验在升温装置旁进行，升温装置带有通风管，把通风管插到升温毯下表面的进风口处固定，启动升温装置，并设置入风口速度1m/s,热风温度为315K；温度稳定后，采用测温枪对图2所示A~I各点对应升温毯的位置进行温度采集并记录。
将实验采集到的温度数据与仿真得到的温度分布图上的点位温度数据进行比对，比对结果如表1。
表1仿真温度和实验测试温度结果对比
| 测点温度（K） | A | B | C | D | E | F | G | H | I |
| 仿真 | 306.77 | 308.70 | 306.52 | 308.46 | 311.31 | 308.46 | 307.37 | 314.89 | 307.74 |
| 实验 | 306.9 | 308.8 | 306.6 | 308.6 | 311.2 | 308.7 | 307.5 | 314.9 | 307.8 |
由表1可知，采用利用计算流体力学软件进行升温毯温度场分布的仿真分析获得的温度数据与实验测得的升温毯表面数据误差很小，可直接用计算机仿真完成后续的设计，减少每一个设计均有打样验证的工序，节省设计时间及成本。
以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明的实质和范围。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：采集现有升温毯的结构尺寸，热风量，风速，粘性阻力系数、惯性阻力系数及环境温度；
S2：建模，使用三维软件建立升温毯模型；
S3：利用计算流体力学软件进行升温毯温度场分布的仿真分析，获得现有升温毯的温度场仿真结果；
S4: 根据获得的升温毯温度场仿真结果，分析升温毯温度是否均匀，若升温毯温度均匀则满足设计要求，完成设计；若温度不均匀，则重新设计升温毯的内部流道结构，并返回S2。
2.根据权利要求1所述的温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中的仿真分析的流程步骤为：
计算域计算模型建立：根据实体模型建立流体域的三维模型，所述流体域三维模型包括升温毯内部的流体域模型和升温毯外部的流体域模型；
体网格划分，对包括内流、外流域和其它部分模型进行网格划分，使用的是四面体网格划分，升温毯透气空部分采用多孔介质模型进行模拟；
计算求解：对升温毯进行温度场分布计算求解；
计算结果处理：获得升温毯的切面温度场云图及各个温度测点的数据。
3.根据权利要求2所述的温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：所述流程步骤3）中的温度场分布计算求解过程为：
A1：设定材料属性，包括升温毯入口热流量，风速，入口温度，空气密度，粘度物理参数
A2:设定多孔介质模型参数：设定渗透率、粘性阻力系数、惯性阻力系数；
A3：设定边界条件：包括速度进口边界（带温度），压力出口边界；
A4：设定湍流模型，使用K-E模型；
A5：进行迭代计算。
4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：所述计算流体力学软件为STAR CCM软件。
5.根据权利要求1所述的温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：所述步骤S4中重新设计升温毯的内部流道结构的具体方式为：重新设计焊点的数量、焊点之间的间距。
6.根据权利要求1所述的温度均匀升温毯的设计方法，其特征在于：在步骤S3中，还包括有一实验验证步骤，具体是：把现有升温毯与通风管连接，用测温枪采集多个检测点的温度，与温度场仿真结果进行对比，若比对结果在允许范围内，则进行下一步骤。
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