服装功效学 教学课件

SOOCHOWUNIVERSITY第五章服装热湿舒适性的数学描述SOOCHOWUNIVERSITY三维人体模型人体热湿生理模型数字人体织物热湿模型动态热生理分析数字化模拟穿着中人体服装动态热湿分布服装热湿舒适性分析与设计概述SOOCHOWUNIVERSITY5.1人体热调节机制及其数学模型一、人体热调节机制人体热调节系统的组成人体热调节系统的组成是相当的复杂的。该系统由外周和中枢温度感受器、体温调节中枢、效应器等构成。从控制论的观点来看，可以看作一个基于负反馈原理的闭环控制系统。在该系统中，体温是输出量，身体的基准温度为参考输入量。与一般的闭环控制系统类似，它也包括测量元件、控制元件、执行机构和被控对象等SOOCHOWUNIVERSITY视前神经元肌肉紧张汗液量血管舒缩度体热含量中枢及皮肤感受器环境工作

下丘脑控制系统效应系统受控系统人体热调节系统控制框图SOOCHOWUNIVERSITY2、人体热调节生理学基础5.1人体热调节机制及其数学模型（1）温度感受器外周温度感受器对温度的感受很灵敏。它分布在全身皮肤或某些膜上，并于神经末稍相联系。外周温度感受器能以0。7m/s的速度将温度刺激导致的兴奋转化为神经冲动，并迅速传送到体温调节中枢，从而引起中枢的兴奋。感受温热刺激的是Ruffini小体，位于皮肤深处1mm真皮与皮下组织中。感受寒冷刺激的是Krause小体，位于真皮层中。中枢性温度感受器指的是存在于下丘脑、脑干网状结构、脊髓中的一些对温度变化敏感的神经元。

SOOCHOWUNIVERSITY（2）体温调节中枢在下丘脑前部和视前区一带存在密集的热感受神经元和少量的冷感神经元，这些神经元起到温度检测的作用；下丘脑前部和视前区存在高频放电的中枢性温度感受神经元，其放电水平与中心温度呈正相关，即当中心温度超过正常的温度37度时，温度感受神经元受热的刺激放电增多，发放神经冲动使散热中枢兴奋，从而加强散热。与此同时，产热中枢受到抑制，从而产热减少。相反，当中心温度低于37度，温度感受神经元的放电减少，使散热反应受到抑制，而产热反应增加。引起温度感受神经元兴奋的阈值称为调定点。SOOCHOWUNIVERSITY（3）效应器效应器是由血管、汗腺和肌肉组成。

汗腺活动人体的汗腺分为两种：第一是大汗腺，局限于腋下和阴部区域以及手脚，他们对体温调节性出汗不起明显的作用；第二种是小汗腺，广泛分布在全身，总数约是250万个，由交感神经支配，只在受到刺激时分泌。当环境温度高于体表温度或体表温度高于体内深层温度时，皮肤血管扩张的散热机制即告失效，此时体表的汗液蒸发就成为身体向外界散热的唯一途径。SOOCHOWUNIVERSITY血管扩张和收缩人体组织的导热系数一般都比较小，所以体内不同部位之间的热量传递主要通过血液的对流换热来完成。从传热学的观点出发，如果将血液对流换热作用折合成对组织导热系数的修正，就可以发现，组织中血流量的大小将直接影响从人体核心到体表的温度梯度，从而改变人体的散热情况。肌肉运动肌肉运动是提高身体产热的主要方法，当血管运动的调节不能弥补寒冷引起的散热增大，仅靠基础代谢产热又不足以维持体温时，肌肉运动开始加强以增加产热防止体温下降SOOCHOWUNIVERSITY二、人体热调节系统的数学模型人体热调节模型的分类（1）“纯生理学“模型：用来探索人体热调节的正常生理学基础以预测生理学反应；（2）”应用生理学“模型：用来预测事故疾病临床治疗对热调节的影响；（3）”工程生理学“模型：用来模拟体温的变化，确定环境应激水平或分析特定的人机与环境系统的控制特性和能力。SOOCHOWUNIVERSITY1、Gagge的两层模型1971年，盖奇（Gagge）等人建立了一个双层模型（two-nodemodel）,用具有两个集中层（核心层和皮肤层）的圆柱体来描述人体，一个是被动的，另一个起到控制作用，来调节人体温度。控制系统由皮肤传感器和核心传感器构成，控制系统的输出信号可以调节皮肤血流量、出汗量。SOOCHOWUNIVERSITYTskMTcrTCcr核心MTcrTCcrEresWVblKm皮肤RC模型假定定人体为为两个同同心单元元：皮肤肤和人体体核心。。皮肤采采用质量量msk的薄单元元表示，，质量为为mcr的核心表表示人体体体内，，msk+mcr之和表示示人体的的总质量量（m）。SOOCHOWUNIVERSITY其数学模模型可用用下列方方程来表表示人体和周周围环境境热平衡衡可用被被动系统统描述，，其方程程如下：：S=M-W-(R+C+Edif+Ersw+Ecomf)-(Eres+Cres)式中：M：新陈代代谢产热热量；W：作功（（Wm-2）；R，C：皮肤的的辐射和和对流散散热量（（Wm-2）；Edif：穿过皮肤肤层的水水汽扩散散热损失失（Wm-2）；Ersw：体温调调节过程程中的汗汗蒸发散散热量（（Wm-2）；Ecomf::舒服状态态下出汗汗蒸发散散热量（（Wm-2）;Eres、Cres：呼吸过过程中的的蒸发和和对流散散热量（（Wm-2）；SOOCHOWUNIVERSITY人体核心心热平衡衡方程：：Scr=M-Eres-Cres-W-（Kmin+cblVbl）（Tcr-Tsk）式中：Kmin：无血流流的皮肤肤组织最最小导热热量=5.28(Wm-2K-1);cbl:血液比热热=1.163(kJKg-1K-1)；Vbl：皮肤血血流率（（Lh-1m-2）;Tcr:人体中心心温度（（oC）;Tsk:人体皮肤肤温度；；SOOCHOWUNIVERSITY皮肤单元元的热平平衡方程程：Ssk=（Kmin+cblVbl）（Tcr-Tsk）-Esk-（R+C）式中：：Esk：皮肤肤平均均潜热热流流流量（（Wm-2）人体核核心与与皮肤肤的温温度变变化率率为：：dTsk=SskA/TCskdTcr=ScrA/TCcrdTmb=ФdTsk+(1-ФФ)dTcr式中：：TCsk：皮肤肤热容容（WhK-1）；TCcr：人体体中心心热容容（WhK-1）；Tmb：人体体平均均温度度（oC）;ФФ:皮肤占占人体体质量量的实实际比比例。。SOOCHOWUNIVERSITY皮肤血血流量量：Vbl=（6.3+200warmc）/（1.0+0.1colds）出汗率率Regsw=170warmbe(warms/10.7)颤抖产产热量量M’=M+19.4coldscoldcSOOCHOWUNIVERSITY2.Stolwijk的25节点模模型1966年，stolwijk等人建建立了了人体体热调调节系系统的的一维维模型型，一一般称称为stolwijk模型。。他们们采用用系统统工程程的观观点把把人热热调节节系统统分为为被动系系统和和控制制系统统。从生生理学学意义义上看看，被被动系系统是是指人人体的的物理理构成成，如如解剖剖特性性、热热容量量、能能量产产生系系统等等；控控制系系统则则是指指全身身的神神经系系统和和中枢枢神经经系统统。在该模模型中中人体体被分分为三三个部部分并并抽象象成圆圆柱体体，头头部包包含皮皮肤和和核心心，躯躯干和和四肢肢由核核心、、肌肉肉和皮皮肤组组成。。中心心血液液作为为单独独部分分，以以突出出血液液灌注注的重重要性性。在在控制制系统统中采采用了了控制制论的的反馈馈原理理建立立了闭闭环控控制回回路。SOOCHOWUNIVERSITY1971年，Stolwijk采用Wissler的多节节段人人体模模型丰丰富和和发展展了他他在以以前的的模型型。他他把人人体分分为六六个节节段，，并假假设中中心血血液部部分通通过血血液循循环把把六个个节段段联系系起来来。头头部作作为一一个球球体，，躯干干，手手臂、、手、、腿和和脚作作为圆圆柱体体看待待。每每一节节段又又分为为核心心、肌肌肉、、脂肪肪和皮皮肤。。这样样加上上中心心血液液部分分总共共存在在25个单元元，因因而又又称为为25节点模模型。。SOOCHOWUNIVERSITY123355血液4466Stolwijk的25节点模模型SOOCHOWUNIVERSITY被动系系统对于每每一层层，其其热平平衡方方程如如下：：cndTn/dt=Mn-Bn-Kn-Rn-Cn-(En+Eres)式中：：cn:皮肤热热容量量（Wh/oc）；Tn：组织织温度度；Mn：新陈陈代谢谢产热热量；；Bn：血液液流动动所散散失的的热量量；Kn：传导导所散散失的的热量量；Cn：对流流所散散失的的热量量；En、Eres：水分分蒸发发所散散失的的热量量。对于血血液而而言:CbdTb/dt=B1+B2+…..+B24式中：：Cb:血液的的热容容量（（Wh/oc）。SOOCHOWUNIVERSITY控制系系统在该模模型中中，采采用下下丘脑脑温度度作为为调定定点温温度的的基准准，并并且该该调定定点的的值随随环境境条件件和人人体所所处的的状态态而变变。在在所有有层中中的实实际温温度和和调定定点温温度作作比较较，输输出一一个错错误信信号，，从而而确定定是冷冷还是是热。。系统统的误误差信信号可可以用用下式式表示示：Ferror=T-Tset式中：Ferror：系统误差信信号，0C；T：单元实际温温度，0C；Tset：单元调定点点温度，0C；SOOCHOWUNIVERSITY各部分的每层层的标准温度度如下表所示示SOOCHOWUNIVERSITY暖信号Wrm和冷信号Cld，通过下式来来定义：Wrm＝Ｆerror,Cld＝０当Ferror>0Cld＝Ferror,Wrm=0当Ferror<0综合的暖信号号Wrms和综合的冷信信号cldsSOOCHOWUNIVERSITY皮肤血流：DL,ST分别是血管舒舒张与收缩信信号。SOOCHOWUNIVERSITY汗水生成率打颤热生成SOOCHOWUNIVERSITYＳＫＩＮＲ（（ｉ）综合权权重及肌肉分分布系数SOOCHOWUNIVERSITY各种控制系数数SOOCHOWUNIVERSITY5.2服装热湿性能能的数学描述述一、Herry模型SOOCHOWUNIVERSITYHerry在提出数学模模型，对问题题进行了简化化，即假设了了一些条件：：由于吸湿而因因起的纤维的的体积不变当通过纤维水水的扩散系数数远小于空气气中的水的扩扩散系数，纤纤维的湿传递递可忽略；当纤维直径较较细和水蒸气气在空气中的的传播速度远远大于在纤维维中，织物中中纤维的取向向在水蒸气传传递过程所起起的作用很小小；当纤维的直径径非常小，比比表面积非常常大时，在此此过程中纤维维和空气间的的热平衡瞬间间完成。SOOCHOWUNIVERSITY2、质量的平衡衡方程：纤维之间水水气的累计量量；：纤维中的含含水的量；：通过纤维空空间传递的湿湿气量。ε：织物孔隙度度比；τ：织物有效弯弯度。SOOCHOWUNIVERSITY3、热量守恒公公式：织物的体积热热容量；纤维的吸湿热热；织物导热系数数。SOOCHOWUNIVERSITYconst：是实验常数数；ρ：纤维密度；；：纤维表面含含水量；：纤维中水蒸蒸气的扩散率率，是纤维含含水量的函数数；：纤维半径。。SOOCHOWUNIVERSITY2、Luo等人建立了一一个新的模型型，将Farnwooth发表的热辐射射加入到质量量和热量守恒恒方程中，并并用于描述在在较大温差下下的传热传湿湿过程；这个个模型不能清清楚地描述蒸蒸发和凝结过过程；3、Li等人在Herry模型的基础上上多加了一个个质量平衡方方程来描述液液态水的传递递过程，以及及推到出了一一个液态水在在多孔纺织材材料中的扩散散系数方程。。4、wang等人提出了一一个更新的数数学模型，包包括前面几个个模型描述的的所有物理机机理：传导和和辐射热传递递，毛细液态态传递，湿气气扩