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模型假定人体为两个同心单元：皮肤和人体核心。皮肤采用质量msk的薄单元表示，质量为mcr的核心表示人体体内，msk+mcr之和表示人体的总质量（m）。SOOCHOWUNIVERSITY其数学模型可用下列方程来表示人体和周围环境热平衡可用被动系统描述，其方程如下：

S=M-W-(R+C+Edif+Ersw+Ecomf)-(Eres+Cres)式中：M：新陈代谢产热量；W：作功（Wm-2）；R，C：皮肤的辐射和对流散热量（Wm-2）；Edif：穿过皮肤层的水汽扩散热损失（Wm-2）；Ersw

：体温调节过程中的汗蒸发散热量（Wm-2）；Ecomf::舒服状态下出汗蒸发散热量（Wm-2）;Eres、Cres：呼吸过程中的蒸发和对流散热量（Wm-2）；SOOCHOWUNIVERSITY人体核心热平衡方程：Scr=M-Eres-Cres-W-（Kmin+cblVbl）（Tcr-Tsk）式中：Kmin：无血流的皮肤组织最小导热量=5.28(Wm-2K-1);cbl:血液比热=1.163(kJKg-1K-1)；Vbl：皮肤血流率（Lh-1m-2）;Tcr:人体中心温度（oC）;Tsk:人体皮肤温度；SOOCHOWUNIVERSITY皮肤单元的热平衡方程：

Ssk=（Kmin+cblVbl）（Tcr-Tsk）-Esk-（R+C）式中：Esk：皮肤平均潜热流流量（Wm-2）人体核心与皮肤的温度变化率为：

dTsk=SskA/TCskdTcr=ScrA/TCcrdTmb=ФdTsk+(1-Ф)dTcr式中：TCsk：皮肤热容（WhK-1）；TCcr：人体中心热容（WhK-1）；

Tmb：人体平均温度（oC）;Ф:皮肤占人体质量的实际比例。SOOCHOWUNIVERSITY皮肤血流量：Vbl=（6.3+200warmc）/（1.0+0.1colds）出汗率

Regsw=170warmbe(warms/10.7)颤抖产热量

M’=M+19.4coldscoldcSOOCHOWUNIVERSITY2.Stolwijk的25节点模型1966年，stolwijk等人建立了人体热调节系统的一维模型，一般称为stolwijk模型。他们采用系统工程的观点把人热调节系统分为被动系统和控制系统。从生理学意义上看，被动系统是指人体的物理构成，如解剖特性、热容量、能量产生系统等；控制系统则是指全身的神经系统和中枢神经系统。在该模型中人体被分为三个部分并抽象成圆柱体，头部包含皮肤和核心，躯干和四肢由核心、肌肉和皮肤组成。中心血液作为单独部分，以突出血液灌注的重要性。在控制系统中采用了控制论的反馈原理建立了闭环控制回路。SOOCHOWUNIVERSITY1971年，Stolwijk采用Wissler的多节段人体模型丰富和发展了他在以前的模型。他把人体分为六个节段，并假设中心血液部分通过血液循环把六个节段联系起来。头部作为一个球体，躯干，手臂、手、腿和脚作为圆柱体看待。每一节段又分为核心、肌肉、脂肪和皮肤。这样加上中心血液部分总共存在25个单元，因而又称为25节点模型。SOOCHOWUNIVERSITY123355血液4466Stolwijk的25节点模型SOOCHOWUNIVERSITY被动系统对于每一层，其热平衡方程如下：

cndTn/dt=Mn-Bn-Kn-Rn-Cn-(En+Eres)式中：cn:皮肤热容量（Wh/oc）；

Tn：组织温度；

Mn：新陈代谢产热量；

Bn：血液流动所散失的热量；

Kn：传导所散失的热量；

Cn：对流所散失的热量；

En、Eres：水分蒸发所散失的热量。对于血液而言:CbdTb/dt=B1+B2+…..+B24

式中：Cb:血液的热容量（Wh/oc）。SOOCHOWUNIVERSITY控制系排统在该模痒型中，追采用下节丘脑温哭度作为撞调定点捕温度的景基准，神并且该很调定点惰的值随浓环境条呈件和人泉体所处罩的状态谷而变。盾在所有业层中的迅实际温桑度和调启定点温俊度作比长较，输咬出一个扑错误信畜号，从坏而确定汤是冷还响是热。尊系统的匪误差信接号可以将用下式答表示：Fer垫ror伤=T-递Tse拉t式中：Fer喘ror：系统颈误差信驰号，0C；T：单元实聪际温度，0C；Tse练t：单元敬调定点驻温度，0C；SOOCHOWUNIVERSITY各部分的熔每层的标勾准温度如求下表所示SOOCHOWUNIVERSITY暖信号Wrm俯和冷信号Cld，通过照下式来讯定义：Wrm＝Ｆerr言or,浊C千ld＝０领当Ferr航or>0Cld＝Fer出ror扮,佣Wr勾m=0当Ferr申or<0综合的液暖信号Wrm唤s和综合的驻冷信号cld薄sSOOCHOWUNIVERSITY皮肤血建流：DL,ST分别是附血管舒企张与收挺缩信号留。SOOCHOWUNIVERSITY汗水生成誓率打颤热叛生成SOOCHOWUNIVERSITYＳＫＩ每ＮＲ（驳ｉ）综腊合权重饭及肌肉钓分布系誓数SOOCHOWUNIVERSITY各种控骑制系数SOOCHOWUNIVERSITY5.2服装热湿湖性能的数偏学描述一、Her军ry模型SOOCHOWUNIVERSITYHer加ry在提出数脖学模型，享对问题进醉行了简化骑，即假设呀了一些条垦件：由于吸湿脉而因起的度纤维的体批积不变当通过览纤维水尽的扩散蜘系数远哭小于空典气中的夸水的扩佳散系数怖，纤维腰的湿传将递可忽孙略；当纤维直范径较细和足水蒸气在歉空气中的欣传播速度漠远大于在苗纤维中，撑织物中纤轰维的取向瞧在水蒸气宁传递过程沾所起的作冈用很小；当纤维帽的直径还非常小万，比表鞭面积非堡常大时吓，在此耻过程中臭纤维和听空气间喊的热平掀衡瞬间洒完成。SOOCHOWUNIVERSITY2、质量的仪平衡方程：纤维之夕间水气的藏累计量；：纤维皂中的含暴水的量洗；：通过撕纤维空难间传递白的湿气促量。ε：织物傍孔隙度祥比；τ：织物快有效弯皂度。SOOCHOWUNIVERSITY3、热量远守恒公鸡式：织物的体休积热容量量；纤维的互吸湿热；织物导玻热系数钢。SOOCHOWUNIVERSITYcon特st：是实俭验常数怖；ρ：纤维岔密度；：纤维表轮面含水量溉；：纤维桌中水蒸徒气的扩花散率，舱是纤维摊含水量参的函数城；：纤维顺半径。SOOCHOWUNIVERSITY2、L睡uo等人建立岁了一个新裁的模型，壤将Farn惕woot超h发表的查热辐射半加入到挑质量和表热量守泊恒方程干中，并凯用于描偏述在较变大温差解下的传啦热传湿烟过程；角这个模佣型不能穷清楚地胆描述蒸复发和凝乳结过程酸；3、L稿i等人在Herr把y模型的突基础上猜多加了帆一个质库量平衡登方程来豆描述液巩态水的愚传递过傲程，以凯及推到傻出了一狸个液态派水在多撇孔纺织或材料中须的扩散聪系数方肃程。4、w喷ang等人提额出了一吐个更新氏的数学拨模型，正包括前揪面几个盟模型描遇述的所俱有物理慨机理：届传导和王辐射热加传递，以毛细液心态传递械，湿气庭扩散，折凝结-蒸发，欲以及纤跟维吸湿熔和放湿悄过程。SOOCHOWUNIVERSITY二、该锁模型的发发展1、N嚼ord押on和Davi镰d提出了蜜纤维中狡湿含量毁与周围扩相对湿银度的实股验公式活，并结兆合几个差被Herr乓y忽视的么因素给奏出了方