空调服近体流动与换热研究

许鹏飞 唐 豪



空调服近体流动与换热研究

许鹏飞 唐 豪

（南京航空航天大学能源与动力学院 南京 210016）

为了探讨空调服系统的流动与换热规律，基于人体外形创建了体表-服装几何模型。采用数值仿真的方法研究了横向型管路系统的流动分配特征，探讨了体表平均温度、内外温差关于入口速度、入口温度的变化关系。结果显示：管路质量流量分配存在突变现象；体表上半部分温度低于下半部分温度；体表平均温度、内外温差与入口速度成二次函数关系，与入口温度成线性关系；入口温度每升高1℃，体表平均温度升高0.34℃，而内外温差降低0.33℃。

空调服；流动换热；几何模型；数值仿真

0 引言

进入新时代，人民对美好生活的向往已成为全社会所为之奋斗的目标。在这样的大背景下，军警、消防、采矿等特种行业恶劣的工作环境越来越得到人们的关注。特种行业从业人员常常须忍受37℃以上的高温，例如深井采矿，有的工作面上隅角温度可达37～40℃[1]。身处如此环境中开展工作，作业人员的身体健康安全时刻面临着威胁。环境温度过高，人体产热不能及时散发，只能积蓄在体内，导致体温上升，产生热应激，这样一来作业人员注意力下降，体力逐渐消耗殆尽，不仅降低了工作效率，而且更容易引发生理异常，重者甚至威胁生 命[2,3]。因此，有必要研制出一套空调服系统，改善人体微环境，即使身处恶劣境况也能保障人体热舒适性，从根本上杜绝了安全事故的发生。

近年来，国内外相关学者对空调服进行了大量的研究，取得了硕果累累的成就。刘静[4]等人提出了一种基于风扇阵列驱动的空调服，其原理是在衣服中布置若干微小型风扇，每个风扇体积介于1mm3到1cm3，风扇运转，增强空气与人体表面的对流换热，达到降温冷却的目的。曾彦彰[5]等人又对该种空调服进行了理论计算和实验测试，结果表明：在室内环境下，相比于无风扇时36℃的体表温度，身穿空调服可将体表温度降至29℃；而在太阳辐射环境下，无风扇时体表温度是40.3℃，身穿空调服可将体表温度降至30℃。李伊洁[6]等人介绍了国内外通用的热舒适评价标准，阐述了人体热舒适研究的发展趋势。王涛[7]等人在实验中尝试向液冷服注入TiO2纳米流体充当冷却液，并将其散热性能与冷却液为水的情形作对比，发现纳米流体冷却服散热性能与流体质量流量、进口温度和纳米颗粒体积分数有关。Maurissa[8]等人针对现有冷却服装的固有缺陷，提出将热电制冷器应用于气冷服，并对此进行了实验测试。结果表明：热电制冷装置可在低功率状态下顺利运行，同时空气温度可被降低约10℃，完全可以达到预期目的。王军[9]建立了人体微环境模型，通过数值模拟的方法对四种典型气流组织模式进行了分析，并得到了各自的室内人体微环境需求目标的实现特征。

本文基于ANSYS Fluent数值仿真，重点研究了空调服近体流动与换热规律，推导了体表平均温度、内外温差关于入口速度、入口温度的函数关系，确立了设计和优化空调服应遵循的基本原则，同时也为个体冷却装备的研究提供思路和借鉴。

1 模型及数值方法

1.1 物理模型

图1 人体几何模型

本文只研究人体上身躯干，不涉头部及四肢。采用机械设计软件UG NX10.0建立人体几何模型，如图1所示。

图1为成年男子上身模型，所涉及的尺寸数据如表1所示。

表1 人体模型尺寸数据

基于人体模型架构，进而建立体表-服装几何模型，如图2所示。模型中包括外基础服装、空气夹层、体表和管路。

人体与外界环境是通过皮肤进行热量交换，因此将皮肤，即人体表面设定为几何模型内边界，而不考虑人体内部的物理、化学变化。图2中模型的最外层为外基础服装，为了模型的简化，本文在此忽略其厚度。服装层与体表之间留有30mm的空气夹层，用于配置管路系统。本文选用横向型管路系统，如图3所示。

图3 横向型管路

管路由4根横向回路及1根纵向主轴构成，每根管路直径均为22mm，管路表面共开有19个小孔，孔径16mm。按照从左至右，自上而下的原则依次为每个出口编号，即从1号至19号。冷气流通过各个小孔流出，与皮肤进行对流换热，促进人体散热，从而降低体温。

1.2 数学模型

本文针对稳态、常物性、不可压缩流体，数学模型控制方程为[10]：

湍动能方程：

湍动能耗散方程：

1.3 边界条件

体表-服装几何模型的外表面是忽略厚度的服装层，它与外界环境发生对流换热，在此定义环境温度为37℃，服装表面对流换热系数为10W/(m2·K)；体表源源不断地向外界散发热量，定义其单位面积散热量为50W/m2；横向型管路冷气入口定义为速度入口，即velocity-inlet；几何模型中的颈口、袖口、底面出口均定义为压力出口，即pressure-outlet。

1.4 数值方法

本文数值方法基于有限容积法（Finite Volume Method, FVM），采用ANSYS ICEM CFD对模型划分非结构化网格，网格总数为3314677。湍流模型采用标准模型。压力和速度的耦合关系采用Simple算法。湍动能方程及湍流耗散率方程的对流项采用二阶迎风格式进行离散，动量方程与能量方程的对流项采用Quick格式进行离散。

2 结果与讨论

本文采用ANSYS Fluent 16.0作为仿真工具，分别模拟了空调服在不同入口速度、入口温度条件下近体流动与换热状况，归纳总结了空调服使用过程中的规律特征。

2.1 体表温度分布

如图4所示为入口速度v=14m/s、入口温度T=18℃时的体表温度分布云图。

（a）前身

（b）后背

图4 体表温度分布

Fig.4 Temperature distribution on body surface

从图中可以发现，温度最高区域出现在体表下半部分，位于腰部两侧；温度较低区域出现在体表上半部分，位于前胸及后背脊椎位置。这种温度分布特点与管路结构设计有关。

结合图5分析，即管路流线图，气流进入主轴管后，更多地汇聚于最上侧回路，因此从上侧回路出口流出的气流占多数。

图5 管路流线图

体表温度分布特点也可从管路各出口质量流量分配得到印证。

图6 管路质量流量分配

2.2 入口速度对制冷性能的影响

图7 体表平均温度随入口速度的变化

控制入口温度T不变，改变入口速度v，得到T在不同定值条件下v对空调服制冷性能的影响。图7展示了体表平均温度随入口速度的变化情况。

随着入口速度的增大，体表温度逐渐降低，但降低的幅度越来越小，即体表温度下降越缓慢。以入口温度T=14℃为例，当入口速度v从8m/s增至9m/s时，体表平均温度T降低0.94℃，而当入口速度v从13m/s增至14m/s时，体表平均温度T降低0.43℃，降幅仅为前者的45.74%。

图8展示了内外温差随入口速度的变化情况。

图8 内外温差随入口速度的变化

内外温差Δ是指衣内空气层平均温度与外界环境温度的差值。观察图8发现，随着入口速度的增大，内外温差逐渐升高，但上升的幅度越来越小，即内外温差上升越缓慢，这一点与体表平均温度的变化情况相反但类似。同样以入口温度T=14℃为例，当入口速度v从8m/s增至9m/s时，内外温差Δ升高0.55℃，而当入口速度v从13m/s增至14m/s时，内外温差Δ升高0.26℃，增幅仅为前者的47.27%。

根据变化曲线图，利用多项式拟合的方法，分别得到体表平均温度、内外温差随入口速度的变化关系，即：

其中，b、ΔT均为截距，大小与入口温度有关。

2.3 入口温度对制冷性能的影响

控制入口速度v不变，改变入口温度T，得到v在不同定值条件下T对空调服制冷性能的影响。

图9 体表平均温度随入口温度的变化

图10 内外温差随入口温度的变化

图9、10所示分别为体表平均温度、内外温差随入口温度的变化情况，很容易发现，两者均随入口温度线性变化。入口温度每升高1℃，体表平均温度将升高0.34℃，而内外温差将下降0.33℃。

最后，通过线性拟合的方法，得到相应的函数表达式，即：

T=0.3381T+b（8）

=-0.3297T+b（9）

其中，b、ΔT均为截距，大小与入口速度有关。

3 总结与展望

本文基于人体外形创建了体表-服装几何模型，通过数值仿真研究了空调服近体流动与换热规律，所得结论主要有：

（1）体表温度分布呈现“上冷下热”的特点；

（2）管路系统各出口质量流量分配存在突变现象；

（3）体表平均温度、内外温差关于入口速度成二次函数关系，且入口速度越大，其对空调服制冷性能的影响越小；

（4）体表平均温度、内外温差关于入口温度成线性关系，入口温度每升高1℃，体表平均温度将升高0.34℃，而内外温差将下降0.33℃。

由于本文只讨论了横向型管路系统，且表面开口数量固定，因此，有关管路系统及开口数量对空调服制冷性能的影响有待进一步的研究。

[1] 袁亮.淮南矿区矿井降温研究与实践[J].采矿与安全工程学报,2007,(3):298-301.

[2] Malchaire J, Kampmann B, Havenith G, et al. Criteria for estimating acceptable exposure times in hot working environments: a review[J]. International Archives of Occupational & Environmental Health, 2000,73(4):215- 220.

[3] Nag P K, Nag A, Ashtekar S P. Thermal limits of men in moderate to heavy work in tropical farming[J]. Indus-trial Health, 2007,45(1):107.

[4] 中国科学院理化技术研究所.基于微/纳米风扇阵列驱动的人体降温空调服[P].北京:CN200520114514.6. 2007-03-28.

[5] 曾彦彰,邓中山,刘静,等.基于微型风扇阵列系统的人体降温空调服[J].纺织学报,2007,28(6):100-105.

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Research on the Flow and Heat Transfer Around Body of Air-Conditioning Garment

Xu Pengfei Tang Hao

( College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 )

In order to explore the regulation of the flow and heat transfer in air-conditioning garment system, a geometric model of body surface-garment was created based on the body shape. By numerical simulation, the flow distribution characteristic in horizontal pipeline system was studied and the relationships between average temperature on body surface, temperature difference between inside and outside and inlet velocity, inlet temperature were discussed. The results show that: there is mutation phenomenon during the flow distribution of pipeline; the temperature of upper half part on body surface is lower than the temperature of lower half part on body surface; the relationships between average temperature on body surface, temperature difference and inlet velocity are quadratic functions, as linear relationships with inlet temperature; when inlet temperature increases by 1℃, average temperature on body surface will increase by 0.34℃, temperature difference will decrease by 0.33℃.

air-conditioning garment; flow and heat transfer; geometric model; numerical simulation

O551

B

南京市321计划重点项目（2013B03004）

许鹏飞（1992-），男，硕士研究生，研究方向为空调服及其应用，E-mail：1660494071@qq.com

唐 豪（1960-），男，教授，博士生导师，主要从事近体调温技术的研究，E-mail：hao.tang@nuaa.edu.cn

2018-01-16

1671-6612（2018）05-555-05