基于人体热调节模型的民机座舱热舒适性分析

庞丽萍 巩萌萌 王 浚

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

崔 燚

（上海飞机设计研究院 环控系统设计研究部，上海 200235）

基于人体热调节模型的民机座舱热舒适性分析

庞丽萍 巩萌萌 王 浚

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

崔 燚

（上海飞机设计研究院 环控系统设计研究部，上海 200235）

民机座舱热舒适性研究对我国研制的大型飞机市场竞争力具有重要意义.在舒适性研究中人体热模型的合理性是影响舒适性分析与评价的关键.在开展的有限空间人员热特性实验测试基础上，建立了一种具有热调节行为的人体热模型，将人体复杂传热过程抽象为高温核心区、血液灌注区和等效组织区三者间热传递，很好地克服了常规定壁温或定热流密度人体模型的局限性，计算结果与实验结果吻合较好.将该模型结合文中提出的无迭代PMV（Predicted Mean Vote）热舒适性方程，在保证计算速度的前提下，可实现高人员密度的民机座舱舒适性分析.仿真结果表明:该方法既能够满足复杂空间的计算速度要求，又能较准确地体现人体生理热调节过程，仿真结果可靠性高.

民机座舱;热舒适性分析;人体热模型;CFD仿真

飞机座舱作为典型的特殊微环境，与室内环境相比，具有明显不同之处，如舱内空间狭小、人员密集、不能任意走动;飞行中乘员受到多种环境因素综合影响;环境控制系统不工作，污染物能够迅速聚集，温度也会迅速升高（如满载飞机15 min就会处于极热状况）.所以飞机座舱热舒适性研究对座舱综合环境品质具有重要意义.

对复杂空间的热舒适性研究主要采用数值计算方法，探索环境参数变化对人体热舒适性变化的影响［1－2］.人体热模型是舒适性分析的关键，其建模合理性直接影响到舒适性评价的可靠性［3－4］.但是目前面临的问题是:如果仅基于常规简单人体热模型进行座舱舒适性分析，则分析结果与实际偏差较大;如果基于复杂的人体传热机理模型［5－6］，虽然提高了人体热特性计算结果的合理性，但却会导致多人复杂空间热舒适性分析的计算灾难.

本文试图在传热合理性与仿真计算量之间寻找一种可实现的解决方法.在实验基础上提出具有热调节行为的人体热模型，分析乘客在飞机座舱内的热特性，与文中提出的简化热舒适性计算方法相结合，能合理、高效地实现民机座舱热舒适性分析，从而为该类人员密集区的热舒适设计提供了一种计算效率高且结果可靠的分析方法.

1 变环境下的体表温度测试实验

为了有效研究人体表温度随环境参数的变化规律，为建立人体模型提供依据，本文开展了环境参数发生变化时的人体表面温度测量实验，获得了变环境参数下人体表面温度的变化规律.

实验在有送、回风口的可调温空调房间进行.实验时，被测者静坐于椅子，用温度传感器测量身体14处典型部位（头后部、面部、前胸、后背、右臂上、左臂上、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足）温度变化.温度测试系统包括工控主机、温度数据采集模块、铂电阻温度传感器，如图1所示.

图1 变环境参数下的体表温度测试

实验时改变环境温度，得到人体14处典型部位在变环境参数后稳定的温度数据.图2为人面部、前胸和左腿随环境温度变化的稳定值曲线.

分析实验数据可知:①人体各部位温度分布不一致，存在温度梯度，头部、胸和手的温度较高，四肢次之，脚最低;②人体各个部位温度会随环境变化而变化，当环境温度升高，各部位温度也会随之升高;③人体各部随环境变化程度不一样，头部温度变化最明显，其次是四肢，胸部和脚部变化最小;④冷空气对流换热对体表温度影响较为明显，可以形成4℃以上的温差.

图2 变环境下的面部和后脑温度变化曲线

该实验为具有热调节行为的人体热模型建立提供了依据.

2 具有热调节行为的人体热模型

2.1 常规人体热模型局限性

定体表温度法是将人体表面处理为定壁温传热边界条件，人体不具备热调节能力，不能反映周围环境（温度和风速）对人体的热影响，仅适用于绝对舒适环境中，如图3a所示.定体表热流法是将人体表面处理为定热流传热边界条件，一定程度上反映了人体热调节能力，应用范围较广.但该方法在计算时会出现热积聚，从而造成局部温度过高，严重时可使局部温度达到上百度.尽管可以通过调整身体各部位的热流设定值加以改善，但是仍无法克服，如图3b所示.

图3 常规人体热流模型体表温度计算结果（℃）

由实验分析可知:体表不同区域存在温度梯度，且体表温度是随周围环境温度而变化的.常规人体建模的局限是把人体表面传热特性作为固定边界条件处理，没有体现自身的热调节能力，显然严重背离了实际情况.

如果采用复杂人体传热机理建模方法［4－6］，将人体划分为多节段模型，再从内到外建立精细的传热模型，这虽然提高了人体热特性计算结果的合理性，但却导致了多人复杂空间热舒适性分析的计算灾难.

2.2 具有热调节行为的人体热模型结构

实际上人体头部、颈部的汗腺及血管分布较发达，温度梯度大，而全身温度梯度最小的部位为下肢，血管分布较少，组织传热作用相对较大.躯干内部体核温度恒定在37℃，相当于人体内部热源.血液从体核出发将热流带到各个组织，经过充分换热流回体核［7－8］.通过上述分析并结合实验结果，本文建立起具有热调节行为的人体热模型，将人体复杂传热过程抽象为人体高温核心区1、血液灌注区3和等效组织区2之间的传热过程，见图4a，从而模拟了较真实的人体热量从体内传向体表的过程.另外，在血管热模拟中有所侧重，将人体血管等效为流经头部的干流血管，从而避免了精细处理时对网格划分及计算机处理带来的过大负担.

依据国家标准GB/T10000—1988《中国成年人人体尺寸》，根据计算空间复杂度可进行人体曲面或盒状建模，如图4所示.将人体划分为不同节段，具有不同的热物理参数.

图4 具有热调节行为的人体热模型结构示意图

2.3 具有热调节行为的人体模型传热原理

常规数值人体热模型没有考虑人体组织间传热，如图4a中仅将人体体表视为热交换的一个边界条件，即体表温度T7或体表热流q7为定值.本文提出的方法将其发展为人体内部流固耦合传热模型，进而参与到整个传热过程中，从而体现了人体热调节行为（热积或热债）.人体区域1～7遵循如下非稳态传热方程.

等效组织传热区2满足固体属性传热:

血液灌注区3满足流体传热:

固体区2和液体区1交界6满足:

上述传热方程还需满足内外两个边界条件:

内边界条件（高温核心区1）:T1=37℃.

外边界条件（体表7）:

式中，x，y，z为坐标，m;n为交界法向;T 为近人体环境及体内各区温度，℃;λ，ρ，c分别为体内各区域组织等效导热系数，W/（m·℃）、密度，kg/m3、比热容，J/（kg·℃）;τ为时间，s;α为各液体区域对流换热系数，W/（m2·℃）;d，l分别为血液灌注区等效血管直径和血管长度，m;下标1～7代表各个传热区域，见图4a.

具有热调节行为的人体模型将常规人体热边界模型发展成为人体内部具有流固耦合传热模型，主动参与到与环境的换热中，从而引入了人体热调节行为，实现了人体随周围环境温度变化而变化，提高了人体与环境间热交换计算的准确性，同时在处理时又没有建立复杂的机体传热模型，与之相比使得计算量大大减少.

2.4 具有热调节行为的人体模型传热分析

对于图4a所示的复杂曲面模型可采用多面体网格进行网格划分，适应人体曲面造型;对于图4b中的简单平面模型可采用六面体网格;而周围大型或复杂空间采用以六面体网格为核心的切割体网格.之后，对人体数学模型进行流固耦合换热综合数值求解，获得人体表面温度分布.图5给出了仿真结果，供风温度18℃、夏季着装.

图5 人体热特性仿真结果（℃）

本文采用的相关参数，都经过实验的修正，数值计算得到的人体表面温度分布趋势与实验结果基本一致.

3 民机座舱热舒适性分析

3.1 无迭代PMV热舒适性方程

环境舒适性是空间热设计和热环境评价的重要依据.丹麦范格尔教授提出的预计热指标PMV（Predicted Mean Vote）考虑了人体热舒适感诸多相关因素，因此是最全面而且是最通用的热环境评价指标.它既包括4个室内气候因素:空气温度、空气湿度、空气速度以及平均辐射温度，也包括了两个人为因素:服装和新陈代谢率.范格尔教授的预计热指标PMV方程为［5］

式中，M为人体新陈代谢产热率，W/m2;W为人体对外做功率，W/m2;pa为空气中的水蒸气分压力，kPa;ta为人体周围的空气温度，℃;fcl为服装的面积系数;αc为人体表面对流换热系数，W/（m2·℃ ）为周围环境的平均辐射温度，℃;tcl为衣服外表面温度，℃，可利用迭代法从下式中求出:

式中，η为对外做功热系数;Icl为服装热阻，m2·K/W.

为了与ASHRAE的热感觉标尺保持一致，PMV采用7点生理、心理热感觉标尺.根据PMV方程，测出空间内空气温度、平均辐射温度、相对湿度、空气流速，然后针对人体服装和活动情况进行取值，得到影响PMV的6个参数，获得空间内热环境的PMV指标，并可预测即将发生改变的室内热环境舒适性.

虽然上述方法可以实现热感觉评价，但PMV的计算复杂，尤其是应用于复杂仿真计算中，必须迭代求解tcl.所以本文提出一种改进的无迭代PMV热舒适性计算方法.

该方法仍然使用式（5），但tcl直接用下式求出，不需要迭代求解:

式（6）是基于人体静坐、夏季服装的前提条件.假设人体周围环境温度ta的样本空间为［10，35］，通过迭代计算出相应的人体表温度tcl，之后拟合出ta与tcl的关系而获得的.

使用该无迭代PMV热舒适性方程能在大型CFD计算中高效求解出舒适度场分布.

3.2 热舒适性分析

复杂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，所以分析过程既要符合人体生理热调节过程，又要考虑计算机处理能力［9］.使用本文提出来的人体热模型和热舒适性方程，能够较为真实、方便地实现该类人员密集空间的舒适性分析.

图6～图7给出了多人飞机座舱乘客热特性及热舒适性分析结果.送风温度18℃、采用45℃上送下回送风.

图6 多人飞机座舱乘客热特性分析结果（℃）

图7 多人飞机座舱乘客热舒适性PMV分析结果（℃）

4 结论

本文开展了有限空间人员热特性实验研究，获得了人体表面温度随周围环境的变化规律.在此基础上针对民机座舱环境，开展了乘客热特性模型研究，建立了具有热调节行为的人体热模型，将人体复杂传热抽象为高温核心区、血液灌注区和等效组织区之间的传热，保证计算速度的同时更为真实地模拟了人体传热过程，以及与环境的相互作用过程.该人体热模型能够克服常规人体固定边界条件模型（定壁温或定热流）的不准确以及复杂精细传热模型计算量巨大的局限性，与实验结果吻合较好.采用该模型结合文中提出的无迭代PMV热舒适性方程用于民机座舱舒适性分析.仿真结果表明上述分析方法既符合人体生理热调节过程，又能满足人员密集空间舒适性评价计算量要求.

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Aircraft cabin comfort analysis with human thermoregulation model

Pang Liping Gong Mengmeng Wang Jun
（School of Reliability and Systems Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）
Cui Yi
（Environment Control System Department，Shanghai Aircraft Design and Research institute，Shanghai 200235，China）

The studies about cabin thermal comfort are of great significance in the large aircraft market competition.A reasonable human thermal model is the key to analyze and evaluate the thermal comfort.Based on thermal characteristics experiment of human in the limited space，a human thermal model with the behavior of thermal regulation was established.The complex heat transfer was simplified into the heat transfer among three areas of high temperature core，blood perfusion and the equivalent organization.This model will not only overcome the limitation of the constant wall temperature or constant heat flux density，but in good agreement with the experimental results.Combined with a predicted mean vote（PMV）thermal comfort evaluation method without iterative equation proposed，the comfort in crowded space can be analyzed under the premise of ensuring the calculation speed.Simulation results show that the method can meet the speed requirement when the simulation is for a complex space environment，but also more accurately reflects the human physiological thermal regulation process.

aircraft cabin;thermal comfort analysis;thermal model of human;CFD simulation

V 223+.2

A

1001-5965（2012）02-0166-04

2010-11-16;< class="emphasis_bold">网络出版时间:

时间:2012-02-21 11:46;

CNKI:11-2625/V.20120221.1146.003

www.cnki.net/kcms/detail/11.2625.V.20120221.1146.003.html

庞丽萍（1973－），女，黑龙江海林人，副教授，pangliping@buaa.edu.cn.

（编 辑:李 晶）