三種工況下裸體狀態(tài)數(shù)值假人的熱傳遞模擬

黃紫薇，李 俊

（1.湖北理工學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.東華大學(xué)a.服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；b.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051）

三種工況下裸體狀態(tài)數(shù)值假人的熱傳遞模擬

黃紫薇1，李 俊2a，2b

（1.湖北理工學(xué)院 藝術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.東華大學(xué)a.服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；b.現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051）

為了探索一種能夠取代暖體假人現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的有效途徑，建立數(shù)值氣候室，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬方法，在送風(fēng)溫度為20℃、速度為0.05m／s工況下，對(duì)數(shù)值假人體表自然對(duì)流邊界空氣層的溫度、速度場(chǎng)分布及熱傳遞屬性參數(shù)進(jìn)行模擬，然后在送風(fēng)溫度為20℃、速度分別為0.15和0.50m／s工況下，對(duì)室內(nèi)混合對(duì)流的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)以及熱傳遞屬性參數(shù)進(jìn)行模擬.研究表明模擬結(jié)果具備很高的可靠性.

暖體假人；數(shù)值假人；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬；熱傳遞

暖體假人是模擬人體與環(huán)境之間熱濕交換的儀器設(shè)備.在服裝熱濕舒適性評(píng)價(jià)和職業(yè)防護(hù)服開發(fā)中，暖體假人能在設(shè)定的環(huán)境下模擬人體、服裝與環(huán)境間的熱交換過程，科學(xué)地評(píng)價(jià)服裝整體熱學(xué)性能，從而避免了人體實(shí)驗(yàn)中個(gè)體差異的影響，實(shí)驗(yàn)精度高，可重復(fù)性好，被公認(rèn)為服裝工效學(xué)研究必不可少的手段.

由于暖體假人的制造工藝復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，假人的實(shí)驗(yàn)條件如人工氣候室成本高，因此，迫切需要找到新的研究手段來降低成本，或者取代暖體假人.近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）有了更加廣泛的應(yīng)用，利用CFD對(duì)有人的通風(fēng)室內(nèi)熱環(huán)境研究越來越深入［1］.目前，國內(nèi)主要從氣流組織和污染物濃度等方面對(duì)室內(nèi)的大環(huán)境進(jìn)行研究［2］，而鮮有學(xué)者利用CFD技術(shù)，從人體微環(huán)境出發(fā)，模擬并研究人體裸體體表熱邊界層的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)分布規(guī)律.

文獻(xiàn)［3］利用東華大學(xué)服裝學(xué)院人工氣候?qū)嶒?yàn)室及暖體假人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以人工氣候?qū)嶒?yàn)室與暖體假人為原型建立數(shù)值氣候室與數(shù)值假人，利用CFD技術(shù)對(duì)暖體假人現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再現(xiàn)與模擬，檢驗(yàn)了模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的一致性.本文在位于優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)的3種工況下，對(duì)裸體狀態(tài)數(shù)值假人的體表邊界空氣層、室內(nèi)的氣流速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算.

1 數(shù)值假人的三維形體

本文以東華大學(xué)自主研制的暖體假人（如圖1所示）為原型建立數(shù)值假人，其形態(tài)分為11個(gè)獨(dú)立的加熱體段，即：1頭頸部，2頭頸關(guān)節(jié)，3胸背部，4腰關(guān)節(jié)，5腹臀部，6踝關(guān)節(jié)，7腳，8小腿，9膝關(guān)節(jié)，10大腿，11胯關(guān)節(jié)，12臂，13肩關(guān)節(jié).該暖體假人固定于人工氣候室內(nèi)，氣候室的長(zhǎng)、寬、高分別為1.98，2.08，1.98m.

圖1 暖體假人的構(gòu)成Fig.1 The structure of thermal manikin

以實(shí)驗(yàn)室假人體段數(shù)、各體段的高度、表面積等相關(guān)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立模擬用數(shù)值假人，模型面積與暖體假人的實(shí)際表面積對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示.二者對(duì)應(yīng)體段的表面積相對(duì)誤差均可基本忽略.

表1 暖體假人與數(shù)值假人各體段的表面積Table 1 The surface area of each segment of thermal manikin and numerical manikin

人體在無風(fēng)的情況下（風(fēng)速＜0.1m／s，可認(rèn)為是無風(fēng)環(huán)境［4］），散熱使得人體周圍空氣受熱發(fā)生自然對(duì)流.對(duì)于裸體站立者，體表附近的空氣受到向上的浮升力作用，熱空氣沿體表向上運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生自然對(duì)流.這股受到人體散熱形成的氣流，在人的頭頂向上仍然可以維持1～1.5m的高度，然后才消失在空氣中［5］.因此，室內(nèi)高度至少要比人體身高高出1～1.5m，才能得到在頭頂充分?jǐn)U散的熱氣流.本文建立與人工氣候室相同長(zhǎng)、寬，不同高度（2.5m）的優(yōu)化數(shù)值氣候室，左側(cè)底部中間為送風(fēng)口、右側(cè)頂部中間為出風(fēng)口，風(fēng)口尺寸均為0.3m×0.3m，如圖2所示.沿人體體表向上的自然對(duì)流比較微弱，自左下向右上方向的送風(fēng)系統(tǒng)可以加強(qiáng)自然對(duì)流的效果，來充分顯示浮升氣流的運(yùn)動(dòng)情況.

圖2 優(yōu)化數(shù)值氣候室及數(shù)值假人Fig.2 Optimized numerical climate chamber and numerical manikin

2 網(wǎng)格劃分

針對(duì)人體復(fù)雜的三維形體，可采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行離散.對(duì)計(jì)算域的劃分依次從線網(wǎng)格、面網(wǎng)格到體網(wǎng)格.

按照固定節(jié)點(diǎn)距離（interval size）的方法，對(duì)線網(wǎng)格進(jìn)行分部位劃分.對(duì)于曲率變化大的部位（例如人體的腋下）、線與線之間距離非常接近的部位（例如腹臀部與大腿相接處）需要?jiǎng)澐州^細(xì)密的節(jié)點(diǎn)，所以采用較小的節(jié)點(diǎn)距離.另外，節(jié)點(diǎn)之間的過渡也很重要.

對(duì)線網(wǎng)格劃分采用3種方式：（1）定比且雙向分布.該方式用于人體模型的臀部與大腿截面相接處的劃分，節(jié)點(diǎn)集中于兩者截面非常接近的部位.（2）定比且單向分布.該方式用于人體模型的腋下與胸背部相接部位，方向?yàn)閺囊赶轮赶蜓?，以及腋下指向手?（3）等距離分布.該方式用于人體模型的其他部位、送風(fēng)口和回風(fēng)口以及房間的各邊.

考慮到網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算耗時(shí)，面劃分采用三角形單元，體劃分采用四面體網(wǎng)格.優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)空間較大，從較小的節(jié)點(diǎn)距離（人體體表）過渡到較大的節(jié)點(diǎn)距離（房間內(nèi)部的空間），臨近單元體積的快速變化會(huì)導(dǎo)致大的截?cái)嗾`差.為了使整個(gè)計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的圓滑過渡，計(jì)算域由一個(gè)內(nèi)部的體（interior）分割為兩個(gè)區(qū)域（如圖3所示）.由圖3可知，人體表面的網(wǎng)格進(jìn)行了加密，優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)體積1的網(wǎng)格較體積2內(nèi)的網(wǎng)格單元更細(xì)密.最后得到72 295個(gè)節(jié)點(diǎn)，356 986個(gè)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元.

圖3 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)網(wǎng)格分布截面圖Fig.3 The grid distribution of optimized numerical climate chamber

3 模型選擇及參數(shù)設(shè)定

選用RNGκ－ε模型［6－8］來模擬室內(nèi)氣流組織，考慮浮升力的影響，利用表面輻射模型（S2S）來計(jì)算人體與墻壁間的輻射換熱.為了能夠在現(xiàn)有條件下最大尺度地反映實(shí)際情況，對(duì)物理模型作以下假設(shè)：

（1）本文模擬的假人實(shí)驗(yàn)室內(nèi)為低速流動(dòng)的空氣，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的氣流不可壓縮，并考慮了質(zhì)量力的作用，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)均視為三維穩(wěn)態(tài).

（2）由于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫差不是很高（送風(fēng)溫度為20℃，人體表面溫度約為33℃），符合Boussinesq近似，按照穩(wěn)態(tài)計(jì)算.

（3）由于本文的模擬過程中除了人體散熱以外，不涉及大功率的電器設(shè)備，所以假設(shè)四面墻壁結(jié)構(gòu)均絕熱.

計(jì)算的邊界條件如表2.求解的控制參數(shù)如表3所示.

表2 邊界條件及參數(shù)Table 2 Boundary conditions and parameters

表3 求解參數(shù)Table 3 Solution parameters

4 結(jié)果及分析

4.1 角系數(shù)

角系數(shù)（view factor）Fjk是離開表面k的輻射量被表面j所接收到的比例.某個(gè)表面接收到另一個(gè)表面的入射輻射量是這兩個(gè)表面角系數(shù)Fjk的函數(shù).表4是優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)人體與房間各墻壁之間的角系數(shù)值.

表4 優(yōu)化數(shù)值氣候室中人體表面與各墻壁間的角系數(shù)Table 4 View factors between body surface and walls in the optimized numerical climate chamber

由于優(yōu)化數(shù)值氣候室的前后墻對(duì)稱、左右墻壁旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，角系數(shù)也呈現(xiàn)一定的對(duì)稱性.由表4可知，前、后墻壁接收到人體11個(gè)體段的輻射能量，其中接受腹臀部的輻射熱最多，胸背部的輻射熱略小.雖然腹臀部的表面積小于胸背部的表面積，由于胸背部的左右側(cè)分別受到左右手的阻擋，從而減少了有效輻射面積.前后墻壁接受左右腳的輻射熱最小，這是因?yàn)槟_部的表面積最小，而且腳的位置低，與前、后墻壁豎直向上的距離越來越遠(yuǎn).

左墻壁的底邊中央處有送風(fēng)口，右墻壁的頂邊中央處有出風(fēng)口.左、右墻壁分別接收到左、右手的輻射熱最多；左、右大腿次之；左、右腳最少.左、右手的表面積小于左、右大腿的表面積，但是左手與左墻壁、右手與右墻壁之間的距離更近，因而接受更多的輻射熱.另外，左手與左墻壁、右手與右墻壁之間的角系數(shù)呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的規(guī)律，這與二者之間的位置關(guān)系相吻合.左右大、小腿處于房間高度方向的中部偏下處，而左墻的送風(fēng)口減少了接受輻射的面積，所以左墻壁接受左大、小腿的輻射熱稍小于右墻壁接受右大、小腿的輻射熱.

天花板接受頭頸部的輻射熱最多，接受胸背部的輻射熱較少，這兩個(gè)部位散失的輻射熱占據(jù)天花板接受的輻射量中的絕大部分.這是因?yàn)轭^頸部離天花板距離近，而胸背部雖然表面積大，但由于頭頸部以及左右手的阻擋，天花板接受胸背部的輻射熱較少.數(shù)值假人的其他部位對(duì)于天花板而言，主要因?yàn)槭艿阶陨隙碌钠渌课坏淖钃跻约岸咧g的距離漸遠(yuǎn)的影響，除了腳踝部位同樣受到小腿的阻擋以外，腳背部分仍可輻射熱量給天花板，所以左右腳的角系數(shù)相對(duì)較大.

地板接受左右腳的輻射熱最多，接受自小腿以上至胸背部的輻射熱依次減少，最少的是頭頸部和胸背部，胸背部的表面積遠(yuǎn)大于頭頸部的表面積，而且胸背部離地板近，但是由于人體胸背部被相鄰的腹臀部等身體部位阻擋，而頭頸部為球體，除了被阻擋外，還有一部分面積直接與地板相對(duì)，所以頭頸部對(duì)地板的輻射熱稍大于胸背部對(duì)地板的輻射熱.

4.2 在0.05m／s送風(fēng)工況下的熱傳遞模擬

當(dāng)室內(nèi)風(fēng)速為0.05m／s時(shí)，模擬得到優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)數(shù)值假人表面空氣層的自然對(duì)流相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示.由表5可知，由于人體左右對(duì)稱，模擬計(jì)算得到各體段產(chǎn)熱量表現(xiàn)出對(duì)稱性，這與實(shí)際吻合，其中人體的胸背部、腹臀部、大腿、頭頸部和手占據(jù)人體主要的面積，因此相應(yīng)產(chǎn)生大部分的熱量.

表5 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)0.05m／s送風(fēng)時(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)Table 5 Relevant data at 0.05m／s in optimized numerical climate chamber

雖然人體的表面積左右對(duì)稱，但是人體左右手、左右腿腳的輻射散熱量以及溫度存在差異，這與房間左右墻壁的風(fēng)口位置以及送風(fēng)情況有關(guān).由人體從上至下來看：在總的輻射散熱量中，胸背部散失的熱量最多；其次是腹臀部和頭頸部；自腹臀部向下至腳部，輻射量依次減?。荒_部的輻射熱散失最少.從人體左右的對(duì)稱部位來看：右手、右大腿、右小腿部位的輻射散熱量略大于左邊對(duì)應(yīng)部位的散熱量，而左腳的輻射熱略大于右腳.

在外界溫度較低，機(jī)體處于安靜狀態(tài)時(shí)，輻射熱占總散熱量的60%左右［5］.本工況下，送風(fēng)溫度為20℃，風(fēng)速為0.05m／s，人體處于靜止站立狀態(tài)，體表發(fā)生自然對(duì)流，數(shù)值假人輻射熱占新陳代謝產(chǎn)熱量的59.65%，二者非常接近.

優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)各墻壁以及天花板和地板之間的平均溫度以及輻射熱如表6所示.室內(nèi)墻壁屬于絕熱邊界條件，其本身不產(chǎn)生熱量，與假人體表以及其余墻壁之間發(fā)生輻射傳熱，與壁面附近的空氣發(fā)生對(duì)流傳熱.由表6可以看出，各墻壁的平均溫度與周圍空氣的溫度接近.地板的溫度最低，其左側(cè)緊挨送風(fēng)口，送風(fēng)溫度僅為20℃，所以溫度較低，因此，地板從數(shù)值假人和其他墻壁獲得的輻射熱最多.天花板的溫度最高，因?yàn)槿梭w代謝產(chǎn)熱，使得周圍的空氣受熱向上運(yùn)動(dòng)至天花板附近，天花板受到熱空氣的作用導(dǎo)致溫度上升，因此，天花板向數(shù)值假人和其他墻壁散失輻射熱.前后、左右的墻壁溫度較一致，均接近于26.79℃.

表6 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)各墻壁的溫度（送風(fēng)速度0.05m／s）Table 6 The temperature of each wall at 0.05m／s in the optimized numerical climate chamber

在優(yōu)化數(shù)值氣候室模型中取y＝0的截面，得到送風(fēng)速度為0.05m／s的室內(nèi)溫度分布圖，如圖4所示.數(shù)值假人與室內(nèi)空氣發(fā)生自然對(duì)流，因此，室內(nèi)溫度在垂直方向上存在溫度梯度.左側(cè)底部是送風(fēng)口，由于送風(fēng)溫度較低，左側(cè)空氣的溫度分層較密.由于發(fā)熱人體的阻隔，右側(cè)空氣的分層較疏，而且左右兩側(cè)越接近室內(nèi)的上部，空氣溫度有趨于一致的趨勢(shì).人體自腳部產(chǎn)生自然對(duì)流熱邊界層，在人體的頭部上方溫度達(dá)到最高，從而使得室內(nèi)的空氣溫差達(dá)到10℃.

圖4 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)y＝0截面溫度分布圖［3］Fig.4 Distributions of air temperature in the plane of y＝0in the optimized numerical climate chamber

由于自然對(duì)流，人體表面除了產(chǎn)生溫度邊界層以外，還存在速度邊界層，如圖5和6所示.人體表面溫度高于室內(nèi)空氣溫度，自然對(duì)流的結(jié)果使人體表面形成一股熱上升的氣流.該氣流自腳開始，速度較小，厚度也較小，但在上升過程中得到發(fā)展.雖然送風(fēng)速度僅為0.05m／s，但是由于熱氣流的作用，在人體的頭頂上，這股氣流的速度可以達(dá)到0.244 m／s.

圖5 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)y＝0截面氣流速度矢量圖Fig.5 Distributions of air velocity vector in the plane of y＝0in the optimized numerical climate chamber

圖6 x＝0.08m截面處速度圖［3］Fig.6 The velocity distributions in the plane of x＝0.08min the optimized numerical climate chamber

本文僅考慮數(shù)值假人的干性散熱，包含了輻射散熱和對(duì)流散熱.根據(jù)Fluent的相關(guān)計(jì)算，得到處于優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)數(shù)值假人與房間的各墻壁之間的輻射以及對(duì)流換熱系數(shù)，如表7和8所示.

表7 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)數(shù)值假人局部的輻射換熱系數(shù)Table 7 The local radiate heat transfer coefficient of numerical manikin in the optimized numerical climate chamber

常溫下，單位輻射換熱系數(shù)hr為5.7W／（m2·℃），或近似地表達(dá)為hr＝4.6（1＋0.01tmrt）［5］，其中tmrt為平均輻射溫度（℃）.利用各體段的表面積與溫度計(jì)算得到數(shù)值假人與氣候室內(nèi)各墻壁之間的平均輻射溫度為32.500℃，代入近似表達(dá)式，得到優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)的hr為6.095W／（m2·℃），通過模擬計(jì)算得到該系數(shù)為6.079W／（m2·℃），二者相對(duì)誤差僅為0.26%.而對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)hc，拉普（Rapp）建議的數(shù)值為hc＝4.0W／（m2·℃）（0.05m／s＜風(fēng)速＜0.2m／s，1＜Δt＜15℃時(shí)，Δt為溫差）［5］.經(jīng)過模擬計(jì)算得到hc為4.393W／（m2·℃），二者存在差異.在優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)，送風(fēng)速度為0.05m／s，室內(nèi)的最大風(fēng)速達(dá)到0.256m／s，對(duì)流作用在一定程度上加劇，因此，優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)偏大.

表8 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)數(shù)值假人局部的對(duì)流換熱系數(shù)Table 8 The local convective heat transfer coefficient of numerical manikin in the optimized numerical climate chamber

4.3 在0.15和0.50m／s送風(fēng)工況下的熱傳遞模擬對(duì)比

風(fēng)速的增加可以改變空氣的流動(dòng)狀態(tài)，提高湍流強(qiáng)度.在風(fēng)速為0.15和0.50m／s下，室內(nèi)氣流是自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的混合對(duì)流.在兩種工況下數(shù)值假人各體段的輻射熱量和溫度如表9所示.由表9可知，在優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)，人體不同部位的輻射熱量和平均溫度均隨送風(fēng)速度的增加而減小.人體的輻射熱量與有效輻射面積、角系數(shù)、環(huán)境溫度有關(guān).

胸背部占據(jù)最大的表面積，其輻射熱量最大；腹臀部的表面積其次，其輻射熱量占人體總輻射熱的第二大部分，有效輻射面積起主導(dǎo)作用.雖然大腿部面積大于頭頸部，然而在低風(fēng)速下（0.15m／s），兩者與其他輻射面之間的位置關(guān)系起主導(dǎo)作用，頭頸部直接與天花板進(jìn)行輻射換熱，而大腿部位上下分別受到腹臀部和小腿部位的阻礙作用，所以大腿部位相對(duì)于頭頸部的輻射熱有所減弱；但在較大風(fēng)速情況下（0.50m／s），大腿部位的輻射熱反而大于頭頸部，此時(shí)，風(fēng)速降低了室內(nèi)的溫度，從而使得輻射傳熱作用降低.腳部由于表面積較小，且處于送風(fēng)口的位置，所以輻射熱量最小.

1) 對(duì)比A、B、D 3個(gè)模型骨架曲線(圖8)可以發(fā)現(xiàn)，模型B的極限承載力較模型A增長(zhǎng)57.64%，模型D增長(zhǎng)38.3%.可以發(fā)現(xiàn)增設(shè)抗震墻后結(jié)構(gòu)的承載能力明顯提高，同時(shí)也可以得出抗震墻布置在跨中時(shí)結(jié)構(gòu)的極限承載力提高幅度最大.

表9 兩種工況下數(shù)值假人各體段的輻射熱量與溫度對(duì)比表Table 9 Comparison of radiate heat and temperature of each segment of numerical manikin under two conditions

在兩種送風(fēng)工況下，數(shù)值假人各體段的表面溫度：頭頸部、胸背部、腹臀部的溫度均較高，自大腿向下至腳部，人體的溫度逐漸降低，這與實(shí)際人體相吻合.

當(dāng)送風(fēng)速度為0.15m／s時(shí)，在優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)y＝0截面處的溫度及速度分布如圖7所示.由圖7可知，優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)溫差為6.4℃，由地板到天花板的溫度梯度比較明顯.由于人體代謝產(chǎn)熱使得體表周圍的空氣受到向上擴(kuò)散的浮升力，而室內(nèi)送風(fēng)也是下送上回，使得體表空氣受到的浮升力作用加強(qiáng)，從而在室內(nèi)產(chǎn)生自下而上的溫度分層分布?xì)饬?

當(dāng)送風(fēng)速度為0.50m／s時(shí)，在優(yōu)化氣候室內(nèi)y＝0截面處的溫度及速度分布如圖8所示.由圖8可知，優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)溫度趨向于均勻分布，溫差僅為4℃.從室內(nèi)的溫度分布來看，仍然可以看到人體代謝產(chǎn)熱驅(qū)使下熱空氣浮升的效果.從室內(nèi)風(fēng)速分布可知，室內(nèi)空氣為充分發(fā)展的湍流，湍流有助于人體產(chǎn)熱與周圍冷空氣的熱交換.冷空氣進(jìn)入的風(fēng)速較小時(shí)，人體代謝產(chǎn)熱對(duì)空氣的熱影響作用占據(jù)主導(dǎo)；而隨著風(fēng)速的增加，冷空氣的作用逐漸取代人體代謝產(chǎn)熱的作用，此時(shí)，人體安靜時(shí)的代謝產(chǎn)熱不足以影響通風(fēng)室內(nèi)的空氣溫度.

圖7 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)在0.15m／s風(fēng)速下y＝0截面處的氣流溫度及速度分布圖Fig.7 Distributions of air temperature and air velocity in the plane of y＝0at 0.15m／s in the optimized numerical climate chamber

圖8 優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)在0.50m／s風(fēng)速下y＝0截面處的氣流溫度與速度圖Fig.8 Distributions of air temperature and air velocity in the plane of y＝0at 0.50m／s in the optimized numerical climate chamber

5 結(jié) 語

本文利用CFD數(shù)值模擬方法計(jì)算了在0.05m／s送風(fēng)工況下，數(shù)值假人體表自然對(duì)流邊界層的溫度場(chǎng)分布，在數(shù)值假人頭部上方溫度達(dá)到最大值30℃，從而使得優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)溫差為10℃，模擬計(jì)算得到該工況下輻射換熱系數(shù)為6.079W／（m2·℃），對(duì) 流 換 熱 系 數(shù) 為 4.393 W／（m2·℃），模擬計(jì)算與文獻(xiàn)提供的參考值較為一致.在風(fēng)速為0.15和0.50m／s工況下，室內(nèi)氣流是自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的混合對(duì)流.當(dāng)送風(fēng)速度為0.15m／s時(shí)，優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)溫差為6.4℃；當(dāng)送風(fēng)速度為0.50m／s時(shí)，優(yōu)化數(shù)值氣候室內(nèi)溫度趨向于均勻分布，溫差僅為4℃.隨著風(fēng)速的增加，冷空氣的作用逐漸取代人體代謝產(chǎn)熱對(duì)空氣的熱影響，室內(nèi)溫度趨于一致.

CFD數(shù)值模擬為研究人體與環(huán)境熱交換提供了一種方便有效的方法，它不僅能夠在一定程度上取代暖體假人，而且可以克服氣候室在尺寸和在送風(fēng)方面的局限性.

參 考 文 獻(xiàn)

［1］彭關(guān)中，繆小平，劉文杰，等.辦公室空調(diào)房間熱環(huán)境數(shù)值模擬研究［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009，28（3）：54－57.

［2］劉玉峰，徐永清.房間氣流組織對(duì)污染物空間分布的影響［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，23（2）：104－107.

［3］WANG Y Y，HUANG Z W，LU Y H，et al.Heat transfer properties of the numerical human body simulated from the thermal manikin［J］.Journal of the Textile Institute，2013，104（2）：178－187.

［4］GB／T 18398—2001，服裝熱阻測(cè)試方法，暖體假人法［S］.

［5］姜懷，林蘭天，孫熊.常用／特殊服裝功能構(gòu)成、評(píng)價(jià)與展望：上［M］.上海：東華大學(xué)出版社，2006：128－141.

［6］CHEN H C，PATEL V C.Near－wall turbulence models for complex flows including separation［J］.AIAA Journal，1988，26（6）：641－648.

［7］KOESTEL A，TUVE G.Performance and evaluation of room air distribution system ［J］.ASHRAE Transactions.1968，61：533.

［8］AL－MOGBEL A M.Analysis of human thermal comfort using a coupled model for predicting human body－environment heat and mass－exchanges［D］.Old Dominion University.2004.

Heat Transfer Simulation of Naked Numerical Manikin under Three Conditions

HUANGZi－wei1，LIJun2a，2b
（1.Art Institute，Hubei Polytechnic University，Huangshi Hubei 435003，China；a.Fashion and Art Design Institute；b.Key Laboratory of Clothing Design and Technology，Ministry of Education，2.Donghua University，Shanghai 200051，China）

In order to explore an effective way to replace the manikin field experiment，a numerical climate chamber was set up.With the method of computational fluid dynamics（CFD）simulation，the temperature and velocity fields together with heat transfer parameters of boundary air layer around numerical manikin were simulated under the condition of a supply air temperature of 20℃ and velocity of 0.05 m／s.And then，under the condition of a supply air temperature of 20℃and velocity of 0.15 m／s together with 0.50 m／s，the temperature and velocity fields as well as heat transfer parameters of mixed convection indoor were simulated respectively.The research shows the simulation results have a high reliability.

thermal manikin；numerical manikin；computational fluid dynamics （CFD）simulation；heat transfer

TS 941.17

A

1671－0444（2014）04－0461－08

2013－12－24

湖北理工學(xué)院校級(jí)青年基金資助項(xiàng)目（11yjr46Q）

黃紫薇（1983—），女，湖北孝感人，講師，碩士，研究方向?yàn)榉b舒適性與功能.E－mail：huangziwei822＠126.com