小型人工气候室内测试室的结构模拟及优化

阚永葭，马崇启，王 欢

(天津工业大学 纺织学院，天津 300380)

小型人工气候室内测试室的结构模拟及优化

阚永葭，马崇启，王 欢

(天津工业大学 纺织学院，天津 300380)

为了使小型人工气候室内的假人测试室风场更加均匀，采用Fluent软件对9种不同的假人测试室尺寸结构进行风场模拟和结果比较，得出最佳假人测试室结构。给出均匀的风场到假人测试室。对模拟结果的假人室横截面进行截取获得该截面风速分布矢量图，计算截面速度的CV值和γv值比较分析。结果表明：不同的假人测试室尺寸结构对气候室内的风场均匀性有很大提高，当假人测试室的长宽高为1000mm×1000mm×1200mm时风场均匀性优于其它方案。

小型人工气候室 服装热湿舒适性 Fluent 结构优化 仿真模拟

服装的热湿舒适性可以通过热阻和湿阻来表征[1]，通过不同的方法对服装进行优化改变其热阻和湿阻的大小，提高人们穿着服装的舒适性。原来的热湿舒适性主要通过人们自己的感知，存在干扰的因素很大，得到的结果也不是很准确。随着科技的发展，利用仪器对服装热阻与湿阻的测量可以统一表征热湿舒适性。目前国内外的热湿舒适性测量仪器已经出现很多了，但是其中还是存在很多的不足之处，比如不能同时完成热阻和湿阻的测量、大范围的调节风速、同时进行织物和服装的热湿阻测量、准确的模拟大气的环境等。本文模拟的仪器是以热阻和湿阻测量为基本方法，开发的一台稳定可靠、精度较高、适用范围广、易于维护的小型人工气候室，并应用到织物和服装的热湿舒适性测量中。在热湿舒适性测量过程中，提供准确的服装的热阻与湿阻值，为人们的穿着舒适性提供准确的数据依据。[2-3]。

由于影响假人周围风场均匀性主要因素是假人所处的箱体大小和试样室进风口风场的均匀程度。本文对安装有人体假肢的试验室尺寸进行模拟优化，运用流体模拟软件fluent进行小型人工气候室假人测试室风场的三维模拟[4-8]，利用fluent软件产生一个均匀的风场，通过改变假人测试室尺寸结构设计，得到不同结构情况下风场均匀程度进行比较，得出最佳的结构设计方案。

1 物理模型及计算方法[9-11]

1.1 几何模型建立及网格划分

采用三维建模软件Solid Works 2012建立小型人工气候室的三维模型。如图1所示是建立的小型人工气候室二维模型。下页图2是选取的气候室内假人测试室的三维模型。将建立的模型导入到网格划分软件ANSYS Meshing中进行网格的划分，网格数量为140万，然后将得到的网格软件导入网格划分软件ICEM中进行光顺处理得到一个质量较高的可以进行计算的网格模型如下页图3所示。

图1 小型人工气候室二维模型

图3 小型人工气候室测试室网格模型

1.2 计算模型的选择

标准 k-ε 湍流模型是从实验经验中总结出来的，其适用范围广、计算精度合理。在fluent中，标准 k-ε模型自从被提出后，就成为工程流场计算中的主要工具，在工业流场和热交换模拟中有广泛的应用，文中选择标准的k-ε湍流模型计算不同的假人测试室尺寸结构对风场的影响。

1.3 主控方程及边界条件[12-13]

流体区域的流动应满足三维流动控制方程，数值模拟则采用雷诺应力平均 N-S方程连续性方程为

∂ρ/∂t+

(1)

动量守恒方程为

(2)

本构方程为

(3)

采用标准k-e湍流模式，即

(4)

式中：ρ为空气密度；u为风速i、j、k=1,2,3;p为压力；μ为动力粘性系数τij为应力张量；εij为应变率张量。

对假人测试室的网格模型设置边界，入风口设置速度入口，速度为0.5m/s。假人室的出风口为outflow。

2 试验方案

考虑实际可以改变尺寸的范围，通过改变假人测试室的整体长宽高，按照表2的尺寸顺序建模仿真模拟，对模拟的风场均匀程度进行对比，得出最佳的假人测试室结构方案。

表1 因素水平表

表2 实验组方案

3 模拟结果与分析

3.1 假人测试室的风速分布

如下页图4所示，采用fluent模拟假人测试室风速分布情况可以清晰的看出风场是不均匀的分布在假人身体各个部分。

图4 人各个部位气流分布

3.2 假人室测试室横截面速度矢量图

如图5-图13所示的是假人室的横截面速度矢量图。从速度矢量图可以看出各个截面的速度分布情况。

图5 实验组1 图6 实验组2

图7 实验组3 图8 实验组4

图9 实验组5 图10 实验组6

图11 实验组7 图12 实验组8

3.3 各截面速度分布CV和γv值[14-15]

3.3.1 相对标准偏差

CV表征相对变异量的度量，可以用来比较流场均匀性的改善程度：

(5)

(6)

3.3.2 均匀性指数

γv值是用于评价流场速度均匀性指标能够全面反映整个流通截面的流体速度分布表达式为：

式中：取[0,1],值越大表示流动均匀性越好。是测量截面的平均速度，为测点速度。

3.3.3 各截面速度分布CV值和γv计算结果

将图5-图9截面数据文件导入图形处理软件Tecplot360采集各个截面的速度值，平均每个截面可以得到5000个速度点。表3所示的是图5-图14截面速度的CV值和γv值，图14可以看出CV值随着不同的出风口结构发生波动，在实验组2中CV值最小，达到了0.432。γv值最大，到达了0.835。说明假人测试室内的风场均匀性在第二组是最好的，尺寸规格是1000mm×1000mm×1200mm。

表3 实验结果CV和γv值

图14 实验结果CV值和γv值

3 结论

通过对已知的9种方案模拟，观察假人测试室内风场的分布，假人测试室尺寸的变化对假人室风场均匀性有明显的影响。通过对比各个方案的风场均匀性得出，当假人测试室的结构尺寸为长宽高1000mm×1000mm×1200mm时风场的均匀性较好。

本文采用流体模拟软件Fluent对所设计的服装热湿舒适性测量仪器假人测试室的结构进行理论模拟和优化大大节省了实际试验的时间和成本。优化后的出风口结构使得假人测试室风场更加均匀，提高了纺织测量仪器对面料和服装热阻及湿阻测量的准确性。

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2016-10-20

阚永葭(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：纺织机电一体化技术。

马崇启(1964-)，男，博士，教授，硕士生导师。

TS103

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1008-5580(2017)01-0116-04