适于复杂空间环境的人体热模拟建模方法技术

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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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Ia所示。在如图Ia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Ib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°C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。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，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Ia和Ib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为本专利技术数值暖体假人模型外观示意图。图4为本专利技术的具有热调节行为的人体热模型结构示意图。图5为本专利技术内部高温核心区和血管结构示意图。图6为本专利技术人体传热区域示意图。图7为本专利技术的具有热调节行为的人体热模型表面温度分布云图。图8为本专利技术的具有热调节行为的人体热模型的典型应用场合。具体实施例方式针对现有技术的问题，本专利技术人进行了深入研究，并提出了本专利技术的解决方 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。本专利技术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的本专利技术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中的本专利技术 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。 本项专利技术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，本专利技术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勻的。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，本专利技术的建模方法中，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。在本专利技术中提出了血液灌注概念。在如图5的本专利技术 的内部高温核心区和血管结构示意图所示的本专利技术的具体实施例中，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。本专利技术的优点包括1、与传统定边界条件数值人体模型相比，由于本专利技术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、本专利技术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、本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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δ,况、A-dxδ + 一\dT、A-dydH--dz dzdT =pc——, δτρdx所述流体传热方程具有如下数学式所表征的形式 dTb = α3π (冗一乃 τ 2mbCb式中χ、y、ζ为人体内坐标，m; T和Tb分别为人体组织和血液沿程温度，°C;入、 c分别为体内组织等效导热系数w/(m · 0C),密度kg/m3、比热容J/(kg · °C)； τ为时间，S; α 3为...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔燚，庞丽萍，巩萌萌，王浚，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11