高温环境中发汗暖体假人的热生理数值模型

在工业生产、安全防护等领域当中,研究在高温环境中人员与环境间的相互影响具有重要的意义。使用可以模拟人体发热、发汗的暖体假人,可开展人体与环境之间热湿交换模拟研究,以及开展高温环境服装防护性能测试。该文建立了一个基于20分区发汗暖体假人设备的多分区多层传热数值模型,通过实验等方式确定各分区的各项热物理参数,建立热平衡方程组,实现对假人在给定环境中的温度变化以及与服装相互作用的过程。将模型计算结果与实验测试数据对比验证其有效性,在常温和高温范围内的一致性良好。此数值模型可以作为开展高温环境中假人实验的前期计算工具,实现对温度变化和服装性能的快速预测。     

模拟失重条件下人体出汗变化规律的实验研究

针对失重条件下人体出汗所发生的变化,采用航天医学领域的-6°头低位卧床(HDBR)实验与常规热舒适实验相结合的方法,在12种空气温湿度下对6名男性受试者进行不同部位皮肤微电流的实验测量,将皮肤微电流作为人体出汗的指示信号.研究结果表明:HDBR模拟失重时,空气相对湿度较低的条件下(RH=30%)人体皮肤出汗比HDBR卧床前需要更高的空气温度刺激,并且出汗率相比卧床前出现一定程度的降低;中等湿度(45%)条件下,模拟失重时的皮肤出汗率随着空气温度增高而增加,但是显著低于HDBR卧床前的水平;高湿条件(80%)下且环境温度高于29℃时,模拟失重时人体皮肤出汗率显著增高,其值低于HDBR卧床前的水平但与其差值逐渐减小.此外,在实验环境下所有受试者的皮肤出汗敏感度降低,并且大腿、小腿、上臂皮肤出汗率显著低于额头、胸和背部皮肤处的出汗率.研究证明,模拟失重条件下人体皮肤出汗与正常重力时存在不同的变化,研究结果可为载人航天时人体热环境的改善提供依据.     

高温高湿环境下人体热生理模型的检验及应用

为研究人体在高温高湿环境下的热生理响应,基于人体温度调节机制,对Gagge两节点模型中的被动系统、主动系统以及服装系统进行改进,建立了改进的人体热生理模型,然后通过人体热生理实验验证了改进的热生理模型在预测皮肤温度、核心温度及出汗量等方面的精确性,最后利用已验证的模型预测煤矿工人的核心温度及安全作业时间。结果表明:在3个不同实验工况的案例下,核心温度模拟值与实验值的最大误差均不超过0.5℃,皮肤温度模拟值与实验值的最大误差均不超过1.4℃,由此可见改进的人体热生理模型能较为可靠的预测人体在高温高湿环境下的皮肤温度和核心温度;通过预测煤矿工人的合理工作时长发现,从事重劳动作业的矿工安全作业时间最短,基本需每工作40 min左右就要进行一次短暂休息,从事中劳动的工人安全作业时间在2 h左右,从事轻劳动的工人受环境影响较小。     

附加相变材料层的热防护服装传热数值模拟

火灾高温环境中,作业人员穿着防护服装可有效减小热压并提高着装舒适性.本文构建了模拟火灾环境下含相变材料的多层火灾安全防护服的传热模型,并利用热防护性能测试装置对模拟结果进行验证,计算与实验结果吻合良好.同时利用模型结果研究了防护性能与相变材料的熔点及相变层在服装层中的配置关系.研究发现与一般多层消防服相比,含相变材料层消防服在高温火灾环境下具有较好的防护性能,所选PCM的热物理属性,尤其是含PCM织物层在多层服装各层中的布置对服装防护人体皮肤烧伤性能影响较为显著.     

热辐射在倾斜通道热流场的作用

针对热辐射是通道内热流场的重要影响因素之一,采用实验和数值计算方法对倾斜角度为10°、20°和30°的两端开口通道内热流场进行了研究。使用基于大涡模拟(LES)求解浮力驱动N S方程的数值模拟方法求得的模拟结果和实验值吻合较好。通过使用耦合热辐射模型的数值计算结果和忽略热辐射的数值计算结果分别与实验结果进行对比分析的方法发现,在热源一定的条件下,对于倾斜角度在10°～30°之间的通道,热辐射使通道上部高温区域的温度降低,随着倾斜角度的增大,热辐射对通道低端开口上壁面附近的影响作用减弱,而倾斜角度对于热辐射在通道高端开口上壁面附近的作用则影响不大,同时,在通道倾斜角度为30°时,热辐射使通道内高温区域向高端开口方向倾斜,并使通道高端的下部温度升高。整个实验和计算结果可为倾斜通道内热流场的理论研究提供参考依据。     

基于多元热生理仿真的运动健康量化方法及系统实现

有效量化运动过程中人体的生理状态,并提前规避运动健康风险,成为当前亟待解决的问题。通过对人体热调节机制和心率调节机制进行数学建模,提出了一个人体运动生理仿真模型,并将其用于模拟多元生理数据,如人体内核温度、出汗率、心率等;基于多元生理仿真结果数据,定义了一个运动模糊有限状态机及生理状态概率计算模型,并用于量化人体运动过程中任意时刻的生理状态。实验结果表明,仿真结果与实验结果能保持很好的一致性,提出的方法对于分析和预测运动仿真过程中的健康问题具有很好的指导意义。     

基于高温人体热反应模型的生理参数预测

为有效评估人员在高温环境的安全性,建立人体热反应模型模拟高温环境人体皮肤温度、核心温度等生理参数。计算人体-服装-环境之间的热交换,并考虑高温对人体代谢产热、血流量、换热系数的影响,建立适用于高温环境的人体热反应模型。通过人体实验测量值及Fiala模型模拟值验证所建模型的有效性,验证结果表明高温人体热反应模型和实验结果吻合得很好。在48℃环境中所建立模型模拟平均皮肤温度值与实验测量值最大差值小于0.3℃,而Fiala模型与测量值最大差值接近1℃。所建立的模型可用于高温环境人体皮肤温度和核心温度等生理参数预测,为公共安全领域的应急救援、人员安全性评估、防护服研发等提供参考。     

动态热环境人体热感觉的模糊综合评判

为研究动态热环境下人体心理反应预测,基于模糊集理论及人与周围热环境瞬时热量传递的合理分析,提出一种动态热环境中人体热感觉模糊综合评判的方法。在本质上,人体外表面同周围环境之间换热热流通量的变化决定了人体在热环境中热感觉值的变化规律。该方法选取换热热流通量变化值作为特征变量,因而降低了求解问题的复杂度。数值模拟算法采用分层递阶模块式结构、基于知识的推理系统和模糊信息并行处理,具有结构简单、易修改扩充、计算速度快和占用存储空间少等优点。将模拟结果同微气候环境室的实验数据相比较,验证了算法的有效性。     

织物结构参数对人体热响应影响数值分析

针对着装人体的热、湿舒适性问题，联合改进的25节点人体热调节模型和服装热湿耦合模型，模拟了人、服装、环境系统的瞬态热、湿传递过程．人体模型中考虑了汗水积聚的影响；服装模型中考虑了水蒸汽扩散、液汗毛细传递和蒸发／凝结、纤维湿吸附／解析；针对不同厚度和孔隙率的服装比较了人体的热响应及服装温、湿度变化．数值分析表明，在高温高湿环境下穿厚度大、孔隙率小的服装较穿厚度小、孔隙率大的服装，皮肤温度、皮肤表面出汗率高，干热损失少．模拟结果可以为服装热、湿舒适性定量设计提供指导。     

低热辐射强度下防护服热防护性能的实验研究

小尺度实验是测量服装热阻常用的方法之一。为了测量高温下服装热阻,该文在锥形量热仪的基础上,设计了一套用于研究多层织物热传递机理的小尺度实验测试装置,建立了高温热辐射下使用热平板测量热阻的计算公式。基于该实验装置,在1~10kW/m2的低热辐射强度下测量了多层防护服织物的内部温度变化以及穿透防护服之后的热流密度。结果表明:随着热辐射强度的增加,尤其是在热辐射密度超过5kW/m2时,总热阻减小,外层、防水层和隔热层的热阻减少,而舒适层的热阻先增大后减小;低辐射强度下(不超过10kW/m2),织物对热辐射吸收率的变化对高温低辐射条件下热阻的测量影响可以忽略不计。     

热辐射不对称条件下室内热环境的数值模拟

建筑内围护结构的热辐射不对称可能引起的室内温湿度分布异常,严重时甚至导致热舒适区的偏移。为精确预测热辐射不对称条件下室内热环境的变化特征,本文以海信 空调公司的青岛厂区的环境实验室为研究对象,严格按照实验室的尺寸、布置进行全尺寸建模,并且保留了空调器内部的流动和换热结构,从而保证模拟结果的精度。为了兼顾流动和传热问题过程中高雷诺转捩流和远场低雷诺流动,采用了SST k-ω湍流模型;采用多孔介质模型模拟空调器内部换热器;采用Coupled算法来实现快速迭代计算。为了验证模拟的精确度,进行了相同边界条件下的试验测量,获得实验室内210个测点的温度值和四个高度上的相对湿度,并计算得到室内气流的均匀度、垂直温差等关键参数。结果表明,空调送风量的模拟值与实测值的相对误差为7%,98%温度测点的相对误差在±5%以内。本研究表明,通过全尺寸数值模拟可以得到精度较高的室内温度分布的模拟结果,精确预测非对称热辐射条件下室内热环境。     

室内沙疗室实验阶段气固耦合热环境的数值模拟

研究室内沙疗室实验阶段空气和沙体间热量传递规律。运用计算机流体力学(CFD)技术建立了室内沙疗室实验阶段三维热物理模型及数学模型,应用Fluent软件计算了沙疗室内气固耦合传热问题,数值模拟与实验验证了空气和沙体温度场的变化。结果表明模拟与实验中空气和沙体的温度场变化规律吻合良好;与吐鲁番沙疗场相对照,模拟得到了适宜室内进行沙疗的温度稳态层及其埋沙深度;通过单口热压自然通风使室内沙疗室的空气热环境具有一定的热舒适度。因而,室内沙疗室可提供沙疗所需温度且相对舒适的热环境,为进一步完善室内沙疗系统的设计提供理论和实践依据。     

近红外光谱无创血糖检测中体温变化的影响分析

利用光学方法无创伤地检测人体血糖浓度是目前的一个研究热点．分析了经皮漫反射光谱测量人体血糖的原理,针对信号微弱、生理背景噪声难以直接定量等现状,利用Monte Carlo模拟方法初步计算了血糖浓度和人体温度变化导致的漫反射光强,并通过葡萄糖水溶液实验对模拟计算的有效性进行了验证,最后根据两名糖尿病患者的口服葡萄糖耐量实验,估计了活体实验中的温度变化对血糖浓度模型误差的影响．结果表明,在37℃附近,体温降低0．1℃引起的漫反射光强与血糖浓度升高2．7mmol／L相当,而对基于近红外光谱的无创血糖预测,体温是一个非常重要的误差源,它对模型的影响占总误差的50％以上．     

人体舒适度与室内热环境

通过对自然通风环境、实际空调环境、实验空调环境与人体舒适度的关系的分析,发现在自然通风条件下人体热感觉随着温度变化是最小的,仅为0.0949(TSV)/℃,而在实际空调环境下,热感觉与温度关系最大,变化率为0.3245(TSV)/℃.说明在自然通风条件下,影响人体突然感觉的其他因素比实际空调环境以及实验空调环境的要多;本文对三种热环境下热不可接受率与实测不舒适度进行比较,发现实测不舒适度远高于热不可接受率,说明热感觉并不等同于热舒适;在自然通风环境下,高温高湿(28℃,80%以上)条件下,空气焓值大小对实测不舒适度的影响比温度、相对湿度更为明显.     

35CrMo结构钢热塑性变形流动应力模型

采用Gleeble 1500热模拟实验机对35CrMo结构钢进行实验研究，根据经典应力一位错关系和动态再结晶动力学方程分别对加工硬化一动态回复和动态再结晶两阶段建立流动应力模型，并统一表示为完整的35CrMo结构钢高温流动应力模型；根据实验结果计算拟合了模型中的各参数．采用建立的流动应力模型计算实验条件下的流动应力，计算结果与实验结果吻合较好．所建立的流动应力模型可以直接用于35CrMo结构钢热成形过程的数值模拟分析．     

地热深孔声波测井传感器的热设计

声波测井技术是摸清地下岩体构造及裂缝分布规律的有效手段。在深部热储层测井工程中,井下传感器需要在高温环境中长时间连续工作。高温环境容易使传感器产生热失效,失效率和温度增量呈指数关系。合理的热设计是提升传感器耐高温性能的有效手段,针对超声成像传感器在高温、密闭工作环境中的耐温需求,对数据采集与处理电路进行热设计,给出了传感器内部元件的设计方法。根据传热学理论,建立了电路板的传热耦合模型,采用COMSOL软件对电路进行仿真热分析,为传感器的结构设计、电路布局和耐温性能评估提供了可靠依据。在雄安新区D35井、D22井中进行性能测试,经热设计后的传感器能够在120℃环境下长时间正常工作,高温高压环境下测井效果良好,耐温指标与室内模拟结果一致。试验结果表明,提出的热设计方法能够有效提升传感器的耐温性能,传热模型能够高效仿真实际环境,可广泛应用于热辐射条件下传感器的耐温设计。     

热等静压技术在镍基单晶高温合金中的应用研究进展

 通过总结目前热等静压对镍基单晶高温的应用研究进展，阐释了热等静压对镍基单晶高温合金中的疏松等孔洞类缺陷的消除作用，分析了孔洞的愈合机理，并分别展示了应用热等静压后合金的拉伸、持久、疲劳等力学性能变化情况，同时介绍了热等静压对已服役制件组织力学性能恢复处理的研究进展、计算模拟在指导热等静压工艺研究中的作用，展望了中国热等静压技术的未来发展。     

低碳钢热塑性成形过程本构模型

根据高温流动应力行为的主导软化机制不同,建立了低碳钢热塑性成形过程的动态回复和动态再结晶两阶段本构模型.采用单一内变量的位错密度演化模型描述加工硬化和动态回复对流动应力的影响;应用Avrami方程表达动态再结晶软化作用对流动应力的影响.采用Gleeble1500热模拟实验机对低碳钢进行热压缩实验,依据实验流动应力曲线确定本构模型中的参数,并分析了模型参数随变形条件的变化规律.应用建立的本构模型计算实验条件下的流变曲线,结果计算值与实验值吻合良好,表明所建立的本构模型可以用于低碳钢热压缩成形过程的数值模拟.     

外部时变热流对液化气体储罐的热响应规律

火灾高温环境极易诱发临近液化气体储罐发生沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)事故。为研究火焰热辐射作用对液化气储罐及内部介质的热作用规律,本文建立以辐射加热源模拟外部火焰作用,过热水为介质的小型储罐BLEVE实验模拟装置。实验结果表明:储罐接收外部热作用时间越长,其泄爆产生的压力反弹越剧烈;外部热作用强度的增大,提升了储罐内部压力响应速率;储罐气相空间的加热作用可以提高内部温度分层度,气相加热面积越大,分层程度越大,从而泄爆后的压力反弹越低。     

高温高湿环境对作业者反应时间的影响研究

高温高湿环境中作业者作业过程中机体容易产生疲劳。当人体各项生理指标处于低谷时将表现出反映时间延长,反映速度下降,进而导致事故的发生。本文采用实验研究法,模拟高温高湿环境的微气候环境,观察被测者在不同环境工况和不同工作强度下的简单反映时间,进行比较和分析研究,得到人体简单反映时间变化的规律和趋势,以期为高温高湿极端环境中作业者生理、心理健康和劳动安全等相关研究及法律法规的制定起到借鉴作用。