（计算机软件与理论专业论文）多节点着装人体动态热湿交换仿真系统.pdf

中山大学硕士学位论文 摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 多节点着装人体动态热湿交换仿真系统 计算机软件与理论 万腾辉 王若梅教授 摘要 功能性纺织产品因其超出传统纺织品的特殊性能得到了越来越广泛的应 用，它的研究与开发也是各国学者关注的重点。在功能性纺织品研究领域中， 对纺织品热湿性能的研究分析是其重要的组成部分。目前对于纺织品热湿传输 过程以及对于人体热湿舒适性的影响机制已被深入考察，相应的数学模型也已 被建立并不断得到发展，并出现了使用计算机技术对功能性纺织品热湿特性进 行模拟计算的仿真软件系统。但由于纺织品热湿传输模型和人体生理调节模型 研究的不断发展，对仿真系统中采用的数学模型也提出了更高的要求，使用更 完善的数学模型来构造仿真软件平台已成为功能性纺织品工程设计方面的迫切 要求。 本文通过深入研究纺织品热湿传输过程和人体热生理调节过程的模型机制 与数学描述方程，将纺织品热湿传输和人体热生理调节的理论数学模型与计算 机仿真技术相结合，使用面向对象分析方法分析设计仿真系统及其数据流程， 构造了一个使用多节点人体生理模型并能动态反映纺织品和人体热湿状态的人 体一纺织品一环境系统仿真平台。同时运用面向对象的方法，将人体、纺织品 以及环境的定义结构化、对象化，为用户提供了友好清晰的操作界面，并通过 使用x m l 概念对系统的仿真实验说明文档进行了规范化，使之能在工程上更好 的推广应用。在对模型的数学方程的求解上，采用了有限体积单元法，将偏微 分方程进行离散后再形成矩阵求解。最后，结合o p e n g l 方式对系统的后处理 部分进行了可视化设计，以利于对仿真数据进行分析和再现，为更直观高效地 查看和分析仿真过程中得到的计算数据提供了有效的工具。 关键字：热湿传输过程，人体热生理调节，人体一纺织品一环境系统 中山大学硕士学位论文 t i t l e ：s i m u l a t i o ns y s t e mf o rt h em u l t i - n o d ec l o t h e dh u m a nb o d yw i t hd y n a m i c h e a ta n dm o i s t u r et r a n s f e r m a j o r ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y n a m e ：t e n g h u iw a n s u p e r v i s o r ：r u o m e iw a n g a b s t r a c t f u n c t i o n a lt e x t i l eh a sb e e na p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t ss p e c i a lp r o p e r t y , m e a n w h i l e t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff u n c t i o n a lt e x t i l eh a v eb e c o m ec o n c e r nt o i n t e r n a t i o n a ls c h o l a r s i nt h er e s e a r c ho ff u n c t i o n a lt e x t i l e ，t h es t u d i e so ft h et h e r m a l a n dm o i s t u r er u c t i o no ft e x t i l ei sav e r yi m p o r t a n tf i e l d t h e s ed a y s ，t h em e c h a n i s m o ft h et h e r m a la n dm o i s t u r et r a n s f e rp r o c e s so fc l o t h i n ga n di t si n f l u e n c eo nt h e t h e r m a lc o m f o r to fh u m a nb o d yh a sb e e ni n v e s t i g a t e dd e e p l y a n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e l sd e s c r i b i n gt h e s em e c h a n i s m sh a v eb e e nd e v e l o p e da n da r ef u r t h e ri m p r o v i n g ， a n ds o m ec o m p u t e rs i m u l a t i o n s y s t e m sh a v eb e e nd e v e l o p e dt oc o m p u t et h e s e m a t h e m a t i c a lm o d e l s d u et ot h ed e v e l o p m e n to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，h o w e v e r , an e wc o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s y t e mw h i c hi n c l u d e ss o m ea d v a n c e dm a t h e m a t i c a l m o d e l sh a sb e e ne x p e c t e df o rt h ed e s i g no ff u n c t i o n a lt e x t i l e t h i sp a p e rd e v e l o p e das i m u l a t i o np l a t f o r mo fh u m a t a - - c l o t h i n g e n v i r o n m e n ts y s t e m , w h i c hi n t e g r a t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dw a sb a s e d o ne n g i n e e r i n gd e s i g na n do b j e c to r i e n t a b l ea n a l y s i s ( o o a ) m e t h o d s ，a f t e rs t u d y i n g t h em e c h a n i s m sa n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ef i e l do ft h et h e r m a la n dm o i s t u r e t r a n s f e ri nc l o t h i n ga n dt h eh u m a nt h e r m o r e g u l a t i o ns y s t e m t h er e a l i z a t i o no ft h e p l a t f o r ma d o p t e dt h eo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) m e t h o d ，a n dt h ed e f i n i t i o n o ft h eb o d y , c l o t h i n ga n de n v i r o n m e n th a sb e e nd e s i g n e da so b j e c t sa n dw i t hs t r u c t u r e , w h i c hg a v ef r i e n d l yi n t e r f a c e st ot h eu s e r sd i r e c t l y , a n de x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ( x m l ) w a su s e dt op r o v i d eas t a n d a r ds c h e m eo ft h es i m u l a t i o nd a t aw h i c hi sw e l l o r g a n i z e da n dd e s c r i b e dc o m p l e t e l yi no r d e rt om e e tt h en e e d so fs h a r i n ga n ds a v i n g i i i 叫1 山大学硕士学位除文 t h es i m u l a t i o ni n f b r m a t i o n i nt h ep r o c e s so fs o n i n gt h em a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n s t h ef i n i t ev o l u m em e t h o dw a sa p p l i e d ，a n dt h es o l u t i o nw a sa c h i e v e db ym a t r i xa f t e r a l lt h em a t h e m a t i c a lf o r m u l a t i o n sw e r ed i s p e r s e d i nt h ep o s tp r o c e s so ft h i sp l a t f o r m ， t h es o l u t i o nd a t u mp r o d u c e di nt h es i m u l a t i o np r o c e s sc a nb ed i s p l a y e di ng r a p h i co r i m a g ew a y , w h i c hw a sw o r k e do u t b a s e do nt h em e t h o d so fc o m p u t e rg r a p h i c p r o g r a md e s i g nw i t ho p e n g lt oo b s e r v ea n da n a l y z em o r ee f f e c t i v e l ya n ds t r a i g h t l y k e y w o r d ：t h e r m a lt r a n s f e rp r o c e s s ，h u m a nt h e r m o r e g u l a “o n ，h c es y s t e m i v 中山大学硕士学位论文 引言 引言 随着当今社会生活水平的不断提高，服装面料制造技术的逐步发展，功能性 纺织品已成为高新科技纺织品领域旱的重要成员。在具有纺织品保暖美观的传统 特性外，功能性纺织品着重关注服装穿着舒适、健康、安全等新的功能。功能性 纺织品因使用环境的不同而用途各异，在医疗保健、运动防护、卫生环保等方面 都显示出越来越重要的作用。人们对功能性纺织品的研究随着市场对着装提出的 新要求而进一步深入，其中纺织品的热湿性能是被广大研究人员最为重视的课题 之一。 在对纺织品的热湿功能特性的研究中，人们已对纺织品的热湿传递机理以及 着装人体的热湿舒适性原理展开了大量的研究和实验，同时在纺织工程中的实际 工艺设计和仿真模型方面都取得了一定的成果。在研究相关的物理、生理、神经 机制、心理等知识的基础上，描述纺织品的热湿传输机理的数学模型、描述人体 对热湿状态的生理调节过程及人体对热湿状态舒适性的心理感觉方面的数学模 型已经分别被建立起来并不断被充实完善。通过模型描述热湿功能性纺织品的工 作机制可以有效地模拟和分析纺织品的热湿分布、热湿性能，目前已有研究通过 模糊逻辑和神经网络的方法对人体心理的热湿舒适状况作初步预测。 同时，由于功能纺织品市场的大量需求，与之相对应的能提供纺织品产品设 计指导的技术软件系统也得到了一定的发展。通过集成热瀑传输模型和人体热湿 生理调节模型，可以构造“人体- n 装一环境”仿真系统，对纺织品的热湿传输 过程和人体热湿调节过程进行模拟仿真。在对纺织品热湿功能仿真系统的研究当 中，也可以引入计算机仿真技术来求解由复杂偏微分方程组构成的参数定义和集 成都非常复杂的数学模型。通过有效地整合这个领域中的数学模型为一个流程化 的交互系统，然后在工程设计的基础上使用计算机技术实现该仿真平台，将为热 湿功能性服装研究领域提供高效的研发工具平台，也将大力地推进计算机技术在 热湿功能性研究领域的应用和发展。 本课题受国家自然科学基金资助，项目名称“织物热湿传输仿真模型研究”， 编号为6 0 4 7 3 1 3 1 。我们的目标就是在热湿功能服装及热湿舒适性研究的基础上， 利用计算机仿真技术建立一个友好高效的仿真平台。为了使仿真系统对“人体一 服装一环境”中的服装的热湿传输性能和人体热湿调节机制有更好的动态预测效 果，本人在仿真系统中引入了相对完善的织物热湿传递修正模型和25 节点人体 热湿调节模型，并借助该系统对服装的热湿传输过程以及人体的热湿自调节过程 进行仿真，然后对仿真结果进行重现和分析。 本文的结构安排为：第一章为绪论，介绍了热湿功能性纺织品及热湿舒适性 研究领域的概念和背景，以及着装人体模拟研究工作的进展。第二章详细介绍了 中山大学硕士学位论文引育 热湿功能性服装以及人体生理热湿调节研究领域的模型。描述了服装热湿传输过 程的机制、数学描述模型及求解方法和人体热湿自调节过程的机制和数学描述方 程。第三章则在这些数学模型的基础上，详细阐述了热湿功能性纺织品仿真平台 的功能目标及系统结构设计。第四章描述了热湿功能性纺织品仿真平台的具体实 现过程以及工程化特点。第五章通过使用本多节点仿真系统对具体着装实验进行 了仿真计算，验证了仿真计算系统的正确性。 2 中山大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 在对纺织品生产研究中，穿着舒适性是最重要的服用指标之一，它是指为满 足人体生理卫生需要所必需具备的功能，包括透气性、透水性、吸湿性、保暖性、 刚柔性、静电性等【“。在对服装舒适性的研究中，人与环境间的热传递结合水份 运动之间的不易察觉的热传递，是保持舒适的主要机理。人们目前对服装舒适性 的研究，也都集中于热和水汽通过服装的运动，即考察服装的热湿舒适性。研究 服装着装时的热湿舒适性即主要考察组成服装的纺织材料的热湿功能性，纺织材 料对热量、水分的传递性能决定了服装在不同环境下的热湿表现【2 】。 织物的热湿传递功能是功能性纺织品开发和生产需要面对的极为重要的研 究领域，目前已有从多的学者和工程开发人员对织物热湿传递的相关问题进行了 深入的研究并正不断完善，在已有研究的基础上结合计算机强大的计算功能可以 开发出对功能性纺织品的设计生产有很大帮助的仿真系统，这对功能性纺织品的 开发、生产都有极大的帮助。 服装的热湿舒适性与着装的环境、着装的人体直接相关，单纯考虑研究服装 的热湿传递特性无法反映人体的具体感受，服装织物的热湿功能性研究应该跟人 体的自调节机制研究结合起来，把纺织品内的热湿传递模型和人体的热湿生理调 节模型结合起来，形成一个整体的“人体一服装一环境”系统来讨论。 1 1纺织材料热湿耦合传递模型的研究 织物的热、湿耦合数学模型是服装热湿舒适性研究的中心内容，织物内的热、 湿耦合传递已被广泛认为是理解穿着服装动态舒适性的重要因素。h e m - y 3 j 在设 定不计吸湿引起的纤维体积变化等条件下，最早提出了建立在微元体上的描述织 物中热湿传输的热湿耦合数学模型。n o r d o n 和d a v i d 4 改进了模型，提出了纤维中 湿含量与周围相对湿度的实验表达式，并结合几个被h e n r y 忽视的因素给出了方 程的数值解。1 9 9 2 年l i 和h o l c o m b e 5 悛展了一个新的吸附率方程。该方程考虑 到羊毛纤维的两阶段吸附特性并且结合了更实际的边界条件去模拟羊毛织物的 吸附行为。随后l i 和l u o n 改进了纤维中湿吸附过程的数学模拟方法，羊毛纤维 中的两阶段吸附过程通过一个统一的扩散方程和两套变化的扩散系数来模拟。 w a n gz h o n g ”蝣随后进一步发展了模型并提出了一个更全面的数学模型，包括 几乎所有物理机理：传导和辐射热传递，毛细液态传递，湿气扩散，凝结一蒸发， 以及纤维吸湿和放湿过程。李风志【9 】等人进一步对模型加以改进，加入了大气压 力及其梯度对水分传递的影响等因素。 c i 山大学硕士学位论文第l 章绪论 以上这些建立在微元基础上的热湿耦合模型，可以很好地描述织物内热湿耦 合传递过程，以及相应液态水的流动，是一个从物理机理上考虑传递现象的模型。 从其发展趋势来看，已经由简单到复杂，从考虑吸湿放湿机理，液态水的毛细 芯吸，到多种复杂现象机理的综合，是纺织材料热湿耦合传递模型的发展趋势。 1 2 人体的热生理调节模型研究 p e n n e s ”1 在1 9 4 8 年将人小臂简化成圆柱而写出了微分形式的“生物传热方 程”，为计算生物体温度分布和进行更细致的传热分析奠定了基础，该方程将生 物组织与一般工程材料的传热问题从根本上区别_ 丌来。此后，呼吸系统，血液热 传输，躯干，肾脏，血液流，心脏，肢体等单个人体部分分别建立了相应的生物 传热模型。这些单个人体部分模型能够详细地模拟人体某一部分的生理及解剖学 特点，但通常都非常复杂，难以用现有的计算机条件把它们整合在一起来描述人 的整体生理行为。 在此基础上，人体多结点模型得到了进一步发展，k f c v r e 将人体考虑成 是一个球壳和一个表示内脏器官的核心组成，从热静力学观点描述了人体热行 为，核心产生热量，外壳向环境散热。此后大量的人体热模型被提出并发展起来， 模型从一个均匀的圆柱发展成表示人体各个部分的不同尺寸的靠血液循环系统 连接的多层圆柱，每一层通常根据组织的解剖差异分为：皮肤，脂肪，肌肉，核 心。这些模型大致可以分类为：一点模型，两点模型，多点模型，以及多单元模 型。其中以g a g g e 1 2 ，”1 二节点模型为代表的两点模型实质上是一个集中参数模 型，它将人体分成两个同心壳，一个表示内赃器官、组织、肌肉和骨头的核心， 个是表示皮肤的外壳，每一个壳假设温度分布均匀，即温度分布相同。所以整 个人体可以看成两个点。每一个点由一个能量方程来描述温度和热响应的关系。 而多点模型是两点模型的扩展，一种方法是把整个人体沿高度方向分成更多的圆 柱同心壳，用来体现高度方向不均匀环境对人体的影响，如s t o l w i j k t l 4 1 模型，另 一类多节点模型是为了体现人体环向温度差别，把外层皮肤又分成任意份，采用 加权平均皮肤温度作为调节温度，如j o n e s 和o r g a w a 1 5 1 模型。 1 3 着装人体模拟研究发展 s c h i t z e r 和c h a t o ”1 率先研究了人体一服装一空气系统的热、质传输过程。 他们考虑的热、质传输过程为由5 个部分( 环境空气，织物，内部空气层，皮 肤，内核) 所组成的一个一维稳态问题。对于身体内核他们假设为常物理特性。 中山大学硕士学位论文第1 章绪论 温度相关于皮肤的导热特性，没考虑能量向体内交换，对于织物层，他们考虑总 是与周围附近的空气层平衡，这一研究代表了一个关于同时存在于皮肤一织物系 统的热、质传递现象研究的重要的进展。j o n e s 考虑到纤维的吸附作用，假设纤 维与周围空气的作用瞬态平衡，描述了动态的服装热、湿传递行为，并且将该模 型与g a g g e 模型联合，进行了动态模拟1 1 7 】。罗笑南等p s 使用g a g g e 两点模型， 考虑更加实际的人体外形，根据真实人体的扫描构造了一个人体几何模型，使用 了c f d 方法，得到了人体与外界环境之间的动态热、湿分布。 w a n gz h o n g i ”】在他的博士论文中使用了他们最近发展的热、湿耦合模型同 g a g g e 两节点模型结合实现动态模拟，他的服装模型中考虑了辐射和液态水的传 递，同时他的模型还加入了人体的神经心理机制分析，使得模型能预测对服装的 热湿舒适性，进一步丰富了“人体服装一环境”整体系统的研究。并引入计算 机软件技术构造了整合服装模型和人体模型的服装热湿舒适性仿真平台，能对热 量和水汽在服装中的热湿传输过程以及人体的热湿自调节和舒适性产生过程进 行动态仿真。 1 4 本文所做的研究工作 在前述的研究中，一个能够动态模拟纺织品内热湿传递和着装人体热湿调节 机制的计算机仿真系统已被建立起来，并得到实现。但随着研究的逐步进展，这 个系统在一些方面体现出不足： f 1 1 系统中计算织物内热量和水分传递的数学模型尚未考虑到大气压力 对热湿传输过程的影响。 ( 2 ) 系统中计算人体热生理调节过程的数学模型是二节点生理模型，这 个模型不能充分反映出人体生理结构的复杂性。 ( 3 ) 仿真系统计算具体实例时所需的参数十分繁杂，同时对于具体仿真 实验的描述没有统一起来。 本文为受国家自然科学基金资助，项目名称为织物热湿传输仿真模型研究， 编号为6 0 4 7 3 1 3 1 。本文的目标为建立多节点着装人体动态热湿交换仿真系统， 所完成的主要工作及特点有： ( 1 ) 通过学习研究热湿功能性纺织材料和人体热湿舒适性领域内相关模型 的工作机制和背景知识建立人体一纺织品一环境仿真系统所需模型。 ( 2 ) 系统模型采用考虑大气压力对热湿传输过程的影响的织物内热湿模型 和25 节点人体热生理调节模型。 d 1 使用面向对象的方法分析建立热湿功能性纺织品舒适性平台的软件系 l _ = l 山大学颂士学位论文第l 章绪论 统框架，划分对象模块，并使用面向对象的方法实现该仿真系统。 ( 4 ) 采用x m l 的形式来描述系统平台的实验数据，对实验描述数据进行统 一化和规范化。 ( 5 ) 提供友好的g u i ，使用户易于理解和设置仿真过程中所需的大量参数， 提供了可视化后处理模块，使用户易于分析仿真数掘。 ( 6 ) 在该平台进行一系列的仿真试验，将仿真的结果数据与实际试验数据进 行分析对比，验证热湿功能性纺织品舒适性仿真系统。 中山大学硕士学位论文 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 对着装人体的动态热湿行为的研究主要包括纺织品材料中的热湿传输过程 和人体的热湿生理调节的机制和模型。纺织品材料的热湿分布和变化对人体的热 湿自调节过程有着交互的作用。在人体一服装一环境系统中，由于人体的皮肤和 衣服的内表面是相邻或者接触的，纺织品的热湿条件为人体自身热湿调节的外部 条件，影响人体热湿生理的调控，同时人体热量与水分也通过服装材料流动，两 模型构成统一的整体系统。本章主要介绍人体- n 装一环境系统平台涉及的改进 多孔介质一维动态热湿传输模型和25 节点人体热湿调节生理模型。 2 1 织物内热湿传输数学模型 织物是构成服装的基础，对织物热、湿性能的研究自然就成为服装热、湿 舒适性研究的关键。织物内热湿传输机理的复杂性使得传统的织物热阻及湿阻研 究模型已不能满足纺织品材料研究进展的需要。织物的热、湿耦合模型的研究已 成为热点。 热湿功能性纺织品研究领域对热湿传输过程的描述方程是从一维静态模型 发展起来的，但是由于静态模型不能描述纺织品实际的动态热湿传输过程，在前 人研究的基础上，l i 等人提出了一个多孔纺织品介质中的一维动态的热湿传输模 型2 讲，该模型考虑了传导、水的毛细管现象、水蒸气的蒸发和凝结等过程的热 传输，同时w a n gz h o n g 、李风致等人迸一步对模型加以改进，加入了织物中辐射 过程的热传输和大气压力及其梯度对水分传递的影响等因素【2 1 l 。这个数学模型 的建立采用了微单元体积为对象的建模方法描述水蒸气在液态水和气态情况下 的动态分布，而模型的数值解的过程采用了有限体体积法。 2 1 1 织物内热湿耦合传输机制 纺织品材料的内部结构假设为毛细管组成，这些毛细管是由纱线形成的纵 横交错的孔道产生的，在毛细管现象下，液态水可以从含量高的地方向贪量低的 地方流动。在此情况下的数学模型基本假定条件如下： - p 山大学硕士学位论文 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 1 织物具有各相同性的性质： 2 气体看作理想气体；它是由干空气和水蒸汽两相组成，并且混合均匀， 共同占据气体空叫： 3 由于织物的孔隙尺度较小，故假定局部热力学平衡存在于所有相中，即 所有相在同一点具有相同的温度： 4 纤维吸湿产生的涨缩效应忽略不计； 5 纤维内部蒸汽扩散很慢，以至于可以看作，周围的湿空气在纤维表面与 纤维达到瞬间吸附平衡； 6 织物中的水考虑为以三种形式存在：存在于纤维之间的孔隙内的自由水、 纤维内部的束缚水、水蒸汽。自由水的移动是由于毛细压力和大气压力梯度作用， 水蒸汽的扩散是在水蒸气分压梯度和总压梯度共同作用下实现的，纤维内的水蒸 汽受纤维对水蒸气吸附和解吸能力的影响。 根据上面的假设，将织物做均匀化处理，简化为由多孔纤维和均匀孔隙构 成的双重多孔介质，织物内的传热、传质过程就可以通过研究表征性体积单元来 获得。织物内的传热、传质过程是相互耦合的，主要体现在纤维孔隙间和纤维本 身参与的热湿交换。 在纤维孔隙中发生的传热、传质过程主要包括空气与液态水之间的热、湿交 换量和液态水在纤维间孔隙内的迁移。 在孔隙率e 、饱和度为s 的单位体积多孔织物内，当空气与水面接触时，发 生的湿交换量和伴随湿交换同时发生的潜热交换量可以用式2 1 、2 2 表示【2 2 】： w = ( 1 一s ) s y h 。g ( p 。( 丁) 一p ，) ( 2 1 ) q = 唧w = j l 唧( 1 一s ) s 。啊。( p 。( 丁) 一成) ( 2 2 ) 当织物的孔隙较小时，液态水通过织物时受到的阻力主要是粘滞阻力，满 足多相流达西定律： 一m 。叫。譬如( 只一) 】 。 。 ( 2 3 ) 中山大学硕士学位论文 第2 章多节点若装人体动态热湿行为数学摸型 其中，p c 是毛细压力，是含水饱和度和表面张力的函数，它同纤维的浸润 性和织物的结构有关。 水蒸汽在宏观迁移势作用下的渗流质量速度可用式2 4 表示： 一。一凤kkggrad(p。)m y g r a d 。一凤 p p 而干空气在宏观迁移势作用下的渗流质量速度为： 一一t ri g m a p l g r a a 。( o ) 】 2 一。 l j j 。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 蒸汽除了在气体宏观迁移势作用下的渗流外，还有在分压梯度驱使下的扩 散过程，对于空隙率e ，饱和度s 的孔隙介质内部蒸汽的质量扩散速度可用公式 2 6 来表示： 帆m d 一，。( 等卜。 眨e ， ) _ o o , p , 州o ( l ( 2 7 ) 2 7 式中d 为水蒸汽在空气中的扩散系数，是温度t 和p ，的函数，其中 d o = 0 2 1 6 x 1 0 - 4 m 2 s 为r = 瓦= 2 7 3 1 5 k ，p 。；p p o = 1 0 1 3 2 5 x 1 0 5 p a 时蒸汽在 空气中的扩散系数值，p ，是蒸汽压力，从式中可以看出水蒸汽在空气中的扩散 系数同大气压力成反比，大气压力越高，扩散率越小。 纤维对其周围水蒸汽的吸附使纤维本身参与的传热传质交换过程，构成织 物的纤维本身也是一种多孑l 介质，当蒸汽扩散到纤维内部时被纤维吸附形成液态 9 e ： - i 山大学硕士学位沦文 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 水，同时伴有相变潜热产生，纤维对蒸汽的吸附过程的研究是织物热湿传输领域 的核心问题。y l i 和l u o l 2 2 】在h e n r y 等人研究的基础上深入研究了纤维的吸附机 理，通过解一个随时问变化的两阶段扩散系数的纤维扩散方程，来获取纤维含湿 量变化率同周围空气湿度的关系，其基本方程如下： 等o c t 葡1a r ( r d ( 叫) 等 ( 2 8 ) c s 。纤维内部蒸汽浓度，d ，( k ，f ) 纤维内部蒸汽扩散系数，是含水量w 。和 时i u 的函数，含水量u = c p 脚，由纤维内蒸汽平均浓度c ，和纤维密度p 肚， 的比值得到。方程的边界条件如下式 c f l 伍，) ：，( 心，丁) 公式2 9 中，函数值，由纤维的吸湿等温特性得到。 ( 2 9 ) 上述纤维中蒸汽的扩散系数d ，( k ，f ) 在一个大气压下通过实验获得的，在 大气压力地时，扩散系数为。，( w c f ) 等，其蝇。为一个标准大气压。 2 1 2 织物模型控制方程 在上述传递机理的前提下，可以利用质量、和能量守恒定律建立下列控制 方程【2 l 】。方程2 1 0 、2 1 1 汞q 2 1 2 描述了织物热湿传递过程的质量守恒原理，其 中方程2 1 0 表示的是水蒸汽质量守恒，方程2 1 1 表示的是液态水质量守恒，而方 程2 1 2 则表示了干空气质量守恒过程。 删+ 坐删一：加( _ 磊? b ( - m ，) ( 21 0)ota t ， 中山大学硕士学位论文第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 生划+；西(-m。10t 巫丛鱼剖：d如仁?)+战。(-鬲。)ot 、，、， 方程2 1 3 描述了织物热湿传递过程的能量守恒原理。 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 巳i o t + a ( 1 一e 7 i o c i + q = 出v k 。( 鲫d r ) ( 2 1 3 ) c 。是织物的体积热容，是水、蒸汽、干织物体积热容的组合形式、 是水 蒸汽的吸附热，是纤维含水量的函数，k 。是织物的热传导系数，它们都与含水 量、温度、织物种类等因素有关。 2 1 3 边界条件与数值求解 关于织物材料中的热湿传输模型，其数学描述方程为一组偏微分方程。在 计算机上对该过程进行数字仿真，必须先对其进行数值求解。根据偏微分方程的 求解步骤，须先设定其解的边界条件以及初始条件，才能对离散后的方程开始求 解。 在前面已假定在多孔介质的织物材料中，纱线的表面及其周围的空气之间 存在局部的吸附平衡，因此，纱线的吸湿过程的边界条件可以设定为： m - - ，d 司，+ l r l lv 司，吐( p ，一p v 。) s l 。一s 。 ( 一k m g r a d t ) + 司，； 。留一l ) f 2 1 4 ) q ：j 山大学硕士学位论文 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 初始条件设定为： 丁= r 0 ，p 。= p r o , s = s o , p g = p g o c ，= ，【兄h 。，t oj 在这组偏微分方程的数值求解过程中，方程的离散化方法使用了有限体积 法，有限体积法的离散做法为将计算域划分为一系列的难交网格，由于其寻求的 为函数在网格上的近似解，故不考虑解在网格之间的变化。有限体积法对每个网 格节点周围取一个控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得出 一组对应微分方程的离散方程继而可用计算机编程求解。 2 225 节点改进模型人体调节机制及仿真计算 在w a n gz h o n g l 2 3 】的研究中，已将6 a g g e 两节点模型与一维的织物热湿耦合传 递模型结合起来，形成人体一服装一环境系统。而s t o w i j k 和h a r d l 2 4 l 于1 9 7 7 年在 g a g g e 两节点模型的基础l 提出了更为完善的25 节点人体生理热调节模型，在 此25 节点模型中，没有考虑到皮肤表面的汗水积聚，认为人体所分泌的汗液全 部蒸发，这个假设在着装情况下是不符合实际的。李风致2 1 i 针对s t o l w i j k 的2 5 节点模型采用j o n e s 方法进行了改进，考虑了着装条件下的皮肤汗水积聚问题。 在该改进的人体热调节模型中，人体的热系统分为被动系统和主动系统两 个部分。被动系统包括人体几何特性，热传输特性及能量传输机理，通过出汗、 打颤及血流量变化进行的体温调节是由主动系统控制的。 2 2 1 人体被动系统 2 5 节点人体生理热调节模型中描述的人体被动系统是如图2 1 所示。整个 人体由六个圆柱( 球) 节段( 头、躯干、臂、手、腿和足) 组成。每一个圆柱( t 1 ) 节段又分成四层：内核、肌肉、脂肪和皮肤，最后一个部分是人体中心血池。皮 肤外面是空气层，然后是服装层、环境，如图。循环系统通过一个中，t l , 血池和其 它各部分连接，其中中心血池与每一部分的热交换是通过血液流动以对流的方式 进行的。 中山大学硕士学位论文第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 图2 1 25 节点模型人体被动系统 如图2 1 ，25 节点人体模型中，每节段四层的热平衡方程及中心血池的能 量平衡方程表示如下列公式所示，其中公式2 1 5 描述的是内核的热平衡方程，公 式2 1 6 描述的是肌肉层的热平衡方程，公式2 1 7 描述的是脂肪层的热平衡方程， 公式2 1 8 描述的是皮肤层的热平衡方程，公式2 1 9 描述的是中心血池的热平衡方 程。 c ( i , 1 ) ! ! ! 粤型。q ( f ，1 ) 一b o ，1 ) 一d ( f 1 ) 一r 港g ，1 ) ( 2 1 5 ) a t c ( i , 2 ) 生三蝉；q ( i , 2 ) 一占( f ，2 ) + n ( i a ) 一d ( f ，2 ) d t c ( i ，3 ) j ! ! ! ! ! 王! ；q ( i ，3 ) 一曰g ，3 ) + d ( i ，2 ) 一o ( i ，3 ) a t f 2 1 6 ) r 2 1 7 ) c ( i , 4 ) 生孪坐：q ( i , 4 ) 一曰( f ，4 ) + d ( f 3 ) 一e ( i ，4 ) 一q ( i , 4 ) ( 2 1 8 ) a t | ； = l 山大学硕士学位论文 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 c ( 2 s ) 掣= 荟6 渺4 d t j ) 倒倒 f 2 1 9 ) 在上述描述25 节点人体热生理调节模型各段各节点的热平衡方程中，主 要讨论了人体各部分热容、代谢热、血流引起的热交换、人体内部传导引起的热 交换、皮肤与环境间的干热交换以及皮肤表面的湿热交换等各项对人体热平衡的 影响。 人体各组织的比热假设如下：骨骼0 5 8 w h ( k g 。c ) ，脂肪0 6 9 6w h ( k g 。c ) ， 其他组织1 0 4 4w h ( k g 。c ) 。中心血池中的血液体积假设2 5 l 。分散到每一节点 热容如表2 1 所示。 表2 1 人体各节点热容1 2 4 前面热平衡方程中的q ( i ，j ) 表示人体代谢热生成率，它是基本代谢率 q b ( i ，j ) ，外功热生成w ( i ，j ) 及打颤热生成c h ( i ，j ) 之和。其中w ( i ，j ) 和c h ( i ，j ) 只对肌肉层有效，其它层为o 。人体的基本代谢率如表2 2 所示。 表2 2 人体各节点基本代谢率1 2 4 前面方程组中人体中血流引起的热交换b ( i ，j ) 是每个点与中心血池之间的 热交换，而t ( 2 5 ) 表示中心血池温度。b ( i ，j ) 的表达式如式2 2 0 所示： 中山大学硕士学位论文第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学摸型 b ( i ，) ；口p c b f ( f ，j x r ( f ，j ) 一t ( 6 5 ) ) ( 2 2 0 ) 这里的b f ( i ，j ) 表示的是血流率，它是基本血流率和血管收缩舒张量的函 数。基本血流率如表2 3 所示。 表2 3 人体各节点基本血流率【2 4 】 i# 段l 、：七抟刺穗鞲船曩幢 l吐4 5 0 00 j201 31 4 4 2鬻2 1 0 0 06 0 0 25 62 1 0 3错0s 4ll40 2 005 0 4r01 0o2 4 0 0 ；：0 0 5捌26 9；4 30 5 2 1s 5 6越01 600 二0 0 53 0 0 惠：s 5 13 热平衡方程中描述了人体内部传导引起的热交换，d ( i ，j ) 是同一节段相邻 层间的热传导量。它是由相邻层之间的温度和传导率的函数。其表达式如式2 2 1 所示： d ( i ，) 。c 。( f ，x t ( i ，) 一r ( i ，j + 1 ) ) ( 2 2 1 ) 其中a ( f ，j ) 是热传导率，其值如表2 4 所示。 表2 4 人体各节点热传导率1 2 4 1 中山大学硕士学位论文 第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 皮肤表面与环境之问的干热损失，包括对流和辐射热交换。这里采用表达 式2 2 2 计算： q ( f ，) 。啊( f 弦o ，4 ) 一瓦。妇。o ) ( 2 2 2 ) ，0 ) 是综合热传输系数，当皮肤表面有服装时，空气层假设是静止的。 ，( f ) = h ，0 ) + t 。t 。，t a ! 是空气层厚度。h r 是辐射热传输系数。k 。是空气的热传 导率。h ，= 4 9 w m 2 。c 和k 。= 2 4 m m w m 2 。c 1 2 5 * 当皮肤表面没有服装时， h ，( f ) = h ，( f ) + 。( f ) ，h ，对流热传输系数，它是速度的函数，表达式为 h 。= 3 4 3 + 5 9 3 v w m2 k 1 2 6 1 。 通过用j o n e s 方法对改进s t o l w i j k 的25 点模型，皮肤表面汗水积聚被考 虑，第i 个节段皮肤的蒸发热损失e ( i ，4 ) ，可由式2 2 3 表达i ”1 ： 酬；笔铲小) ( 2 2 3 ) 其中，b ( f ) 、己o ) ，表示皮肤表面蒸汽压和与皮肤临近的服装蒸汽压力， 乙o ) 是空气层的蒸发热阻。它是空气层厚度的函数。在室温条件下，当皮肤表 面有服装时，经过简单地推导可以得到r 。( f ) = 2 2 z 。p a 。m2 w ，其中f 。是空气层 厚度。当皮肤表面没有服装时，经过推导可得r 。( f ) = 6 6 8 肛。p a 。m 2 w 。当皮 肤表面没有汗水积聚时1 1 5 1 ： 删= 趔必笔擀尉巡 眨z 4 ， ( 如果匕( f ) 只。，0 ) ) 则最( f ) = ( f ) )( 2 2 5 ) 中山大学硕士学位论文 第2 章多节点者装人体动态热湿行为数学模型 其中，己，( f ) 皮肤温度下的饱和蒸汽压力，屯( f ) 皮肤蒸发热阻， r e s k ( f ) = 3 3 3 3 p a 。m 2 w 2 7 1 , m r s 。( f ) 出汗调节率，h 括汗水汽化热。当皮肤表面有 汗水积聚时： 匕( f ) 一圪，( f ) 汗水积聚可由方程( 2 2 6 ) 来描述【1 5 1 ： 掣一m 锚掣一锚掣 眨z e ， 其中，m ，o ) 液态汗在皮肤表面积聚质量。呼吸热损失仅对胸部内核( 2 ，1 ) 有效。r e s ( 2 ，1 ) 可以通过方程( 2 2 7 ) 来表达 脚( 2 ，1 ) = o 0 0 1 4 ( 3 4 ) + 0 0 1 7 ( 5 8 6 7 - 1 。嘻耋q ( f j ) ( 2 2 7 ) 其中，z 和f k 分别是头部空气温度和水蒸汽分压。 2 2 2 人体主动系统 误差信号e r r ( i ，j ) 是通过当前温度与标准温度l ，( f ，j ) 对比获得： e r r ( i ，j ) ；r ( i ，) 一乙( f ，j ) 标准温度o ，) 如表2 5 所示。 表2 5 人体各节点标准温度【2 4 1 1 7 中山大学硕十学位论文第2 章多节点着装人体动态热湿行为数学模型 暖信号w r m ( i ，j ) 和冷信号c l d ( i ，j ) ，通过( 2 2 8 ) ( 当e r r ( i ，j ) 0 ) ( 2 2 9 ) ( 当e r r ( i ，j ) ( 0 ) 定义。 w r m ( i ，j ) = e r r ( i ，j ) ，c l d ( i ，j ) = 0 c l d ( i ，j ) 一e r r ( i ，j ) ，w r m ( i ，j ) = o 来自皮肤感受器上的感觉信号被综合。综合的暖信号( w r m s ，。c ) 和综合的冷 信号( c l d s ，。c ) 通过( 7 1 7 ) 和( 7 1 8 ) 定义。s k i n r ( i ) 综合权系数。 s 4 善( 删o ) 昕m c l d s = ( s k i n r ( i ) c t d ( j ，4 ) ) 7 = r ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 所有的控制方程由三部分组成。一部分是与头核温度有关的，男一部分是 皮肤信号，第三部分是二者的综合。调节系统由四个控制过程组成：血管舒张、 收缩，排汗以及打颤热生成。 皮肤血流b f ( i ，4 ) 通过( 2 3 0 ) 计算。d l 和品分别是血管舒张和收缩信号， 如( 2 3 1 ) ，( 2 3 2 ) 所表达。 ( 2 3 0 ) d t = c a i e r r ( 1 ，1 ) + s w ( w r m s c l d s ) + p w r m ( l 1 弘f 坫 ( 2 3 1 ) s ，= c 。e r r o ，1 ) + s 。( h 慨一c 如b ) + 只，c l d o , 1 ) c t d 5 ( 2 3 2 ) 其中，南帆0