高溫環(huán)境下頭部局部送風(fēng)熱舒適性模擬研究

范曉偉吳金河李志強(qiáng)楊書申歐陽懷瀑

1中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院2鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院

近年來，高溫作業(yè)成為社會(huì)各界共同關(guān)注的重要問題[1]。在高溫環(huán)境中，人體可以通過自身的體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持體溫的相對(duì)穩(wěn)定，但這種自主性體溫調(diào)節(jié)范圍有限。長期處于高溫環(huán)境不僅降低勞動(dòng)者工作效率，而且危害人體健康甚至危及生命。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)工藝要求和生產(chǎn)條件限制，造成一些工作車間環(huán)境溫度高，如鋼鐵廠車間，絲印廠描繪工藝車間及紡織廠車間等。以個(gè)性化送風(fēng)的方式進(jìn)行局部送風(fēng)降溫，從而改善高溫環(huán)境下人體熱舒適狀態(tài)，是當(dāng)前值得研究的課題之一。而且已經(jīng)證實(shí)個(gè)性化送風(fēng)能改善人體熱舒適性、提高人員吸入的空氣品質(zhì)[2-3]。本文針對(duì)一種便攜式空調(diào)系統(tǒng)[4]的末端送風(fēng)裝置進(jìn)行數(shù)值模擬研究，該系統(tǒng)主要由小型空氣處理設(shè)備和末端送風(fēng)裝置送風(fēng)帽組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、降溫效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)空氣處理設(shè)備降溫處理的低溫空氣經(jīng)由連接軟管輸送至送風(fēng)帽體內(nèi)，并由送風(fēng)口吹向人頭部，達(dá)到改善頭部及人體熱舒適狀態(tài)的目的。

本文基于Pennes生物傳熱方程描述人頭部傳熱模型，利用CFD技術(shù)對(duì)送風(fēng)帽的送風(fēng)特性進(jìn)行模擬研究，分析送風(fēng)參數(shù)對(duì)人頭部熱舒適狀態(tài)的影響狀況。

1 數(shù)值計(jì)算模型建立

1.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

本文采用三維人體掃描儀獲取頭部輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過逆向建模進(jìn)行頭部輪廓曲面重構(gòu)得到頭部曲面模型，最后導(dǎo)入Gambit軟件生成頭部模型體。選取頭部周圍600 mm×600 mm×400 mm的區(qū)域?yàn)榱黧w計(jì)算域。頭頂處佩戴有送風(fēng)帽。該送風(fēng)帽由內(nèi)外層殼體，中間風(fēng)道及送風(fēng)口組成。所建立的頭部模型及計(jì)算域模型如圖1所示。

圖1 頭部及計(jì)算域模型示意圖

利用Gambit劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，由于頭部形態(tài)特征復(fù)雜，將頭部及送風(fēng)口周圍空氣域進(jìn)行網(wǎng)格加密，參見圖2。

圖2 頭部及風(fēng)口周圍網(wǎng)格示意圖

1.2 頭部傳熱模型

對(duì)人體傳熱模型的研究主要見文獻(xiàn)[5-11]，其中以Pennes生物傳熱方程描述人體局部組織溫度分布的應(yīng)用較為成熟，為此，本文選擇Pennes生物傳熱方程描述頭部各組織間的熱傳導(dǎo)過程，控制方程[6]如下：

其中：

式中：x 代表x、y、z三維坐標(biāo)；t為時(shí)間，s；ρ為組織密度，kg/m3；ρb1為血液密度，kg/L；c為組織比熱容，J/(kg·K)；cb1為血液比熱容，J/(kg·K)；k 為組織導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；T 為組織溫度，℃；Tb1為動(dòng)脈血溫度，一般取為37 ℃；ωb1為血液灌注率，L/(m3·s)；Qm為組織總產(chǎn)熱，W/m3；Qm0為代謝產(chǎn)熱，W/m3；ΔQm0為溫度相關(guān)項(xiàng)，W/m3；Qm,sh為顫抖產(chǎn)熱，對(duì)于頭部可忽略，W/m3；Qm,w為做功項(xiàng)，對(duì)于頭部可忽略，W/m3。

依據(jù)人頭部結(jié)構(gòu)特征及熱學(xué)影響作用將頭部組織簡化為三層——腦組織層，骨骼層及肌肉層。頭部各組織熱物性參數(shù)取值見表1[12]。

表1 頭部各組織熱物性參數(shù)

1.3 湍流模型及邊界條件

本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型描述計(jì)算域內(nèi)空氣的流動(dòng)狀態(tài)。頭部各組織層間的交界面為固—固耦合面，給定一類耦合邊界條件，即Tw1=Tw2。頭部與周圍空氣域交界面為固—?dú)怦詈厦?，給定三類耦合邊界條件，即[13]。其中，T為固體組織溫度，℃。w1、w2分別為交界面處固體壁面1和固體壁面2。k為固體組織導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。n為交界面的法線方向；q2為交界面處氣體側(cè)熱流量，W/m2。

送風(fēng)口給定速度入口邊界條件。對(duì)稱面給定對(duì)稱邊界條件?？諝庥蛲膺吔缑娼o定壓力出口邊界條件。其余邊界給定絕熱壁面邊界條件。計(jì)算環(huán)境溫度取40℃。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理方法

2.1 頭部熱舒適狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)——舒適滿足率η

針對(duì)非均勻環(huán)境下人體熱感覺、熱舒適的預(yù)測(cè)方法，國內(nèi)外的學(xué)者均開展了一些研究工作[15-18]。其中，Zhang建立的熱感覺、熱舒適模型[18]是目前較為完善的非均勻熱環(huán)境評(píng)價(jià)模型。本文基于Zhang的局部熱感覺模型建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，其熱感覺評(píng)分指標(biāo)見表2[14]。

表2 熱感覺評(píng)分指標(biāo)

在此基礎(chǔ)上，本文提出熱舒適滿足率η，即熱感覺評(píng)分值在-2～2（即涼與暖）之間的皮膚表面積占皮膚總表面積的百分比。其表達(dá)式為：

式中：η為熱舒適滿足率；Sc為熱感覺評(píng)分值在-2～2之間的皮膚表面積，m2；St為計(jì)算皮膚總表面積，m2。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

Zhang采用對(duì)數(shù)函數(shù)描述局部熱感覺值與局部皮膚溫度的關(guān)系，并考慮全身熱狀態(tài)對(duì)局部熱感覺的影響建立了穩(wěn)態(tài)的局部熱感覺模型[14]。

本文利用CFD進(jìn)行數(shù)值計(jì)算獲得不同送風(fēng)工況下頭部皮膚溫度分布，基于Zhang的對(duì)數(shù)函數(shù)公式[14]計(jì)算得到不同皮膚溫度相應(yīng)的熱感覺值，最終依據(jù)式（3）計(jì)算得到頭部熱舒適滿足率η值。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

本研究中保持送風(fēng)帽的結(jié)構(gòu)不變，出風(fēng)口寬10 mm、距頭部水平距離10 mm。以送風(fēng)參數(shù)為可調(diào)變量，取值見表3。其中，送風(fēng)角度指背離人體表面方向偏離垂直平面的送風(fēng)角度。

表3 送風(fēng)參數(shù)取值

3.1 降溫性能分析

假設(shè)人進(jìn)入40℃高溫環(huán)境的初始狀態(tài)為皮膚溫度34℃、核心溫度為36.8℃，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。人進(jìn)入高溫環(huán)境的同時(shí)，開啟送風(fēng)裝置，以送風(fēng)溫度28℃、送風(fēng)風(fēng)速0.6 m/s、送風(fēng)角度0°條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖3和圖4所示。

圖3表示了無送風(fēng)和送風(fēng)條件下不同時(shí)刻人頭部皮膚溫度分布情況?？梢钥闯觯诉M(jìn)入高溫環(huán)境后，送風(fēng)時(shí)人頭部最高皮膚溫度均低于無送風(fēng)時(shí)的最低皮膚溫度。送風(fēng)時(shí)頭部大部分區(qū)域皮膚溫度在33～35℃，較為舒適。而無送風(fēng)條件下，10 min時(shí)皮膚溫度已均高于35℃，30 min時(shí)均高于36℃，偏離舒適狀態(tài)。從圖4可以發(fā)現(xiàn)：送風(fēng)條件下頭部平均皮膚溫度隨時(shí)間變化出現(xiàn)先降低后升高的現(xiàn)象，這由于在人進(jìn)入高溫環(huán)境的同時(shí)開啟送風(fēng)裝置使得前5 min內(nèi)頭部只受到送風(fēng)低溫氣流的作用。無送風(fēng)時(shí)，人頭部平均和最高皮膚溫度均高于送風(fēng)時(shí)1～2℃，且皮膚溫度上升速度高于送風(fēng)狀態(tài)。可見，此送風(fēng)帽裝置對(duì)改善人體微環(huán)境方面具有明顯的效果。

圖3 無送風(fēng)與送風(fēng)時(shí)不同時(shí)間頭部溫度分布

圖4 人頭部平均溫度與最高溫度隨時(shí)間變化

3.2 氣流速度及溫度分布

以送風(fēng)溫度28℃、風(fēng)速0.6 m/s、角度0°為例，圖5和圖6表示了頭部周圍氣流速度和溫度分布情況。送風(fēng)主氣流自送風(fēng)口送出后形成一道具有隔熱作用的氣幕屏障，將人頭部與周圍高溫環(huán)境隔離開來。從送風(fēng)口向下，送風(fēng)主氣流速度逐漸衰減，溫度逐漸升高。在人的下巴部位下側(cè)形成送風(fēng)渦旋區(qū)，風(fēng)速較弱，造成積熱現(xiàn)象。頭頂處無送風(fēng)致使頭頂與送風(fēng)帽之間的空氣夾層易產(chǎn)生積熱。

圖5 人頭部周圍速度分布

圖6 人頭部周圍溫度分布

圖7表示了送風(fēng)主氣流的流向變化情況。送風(fēng)夾角0°時(shí)，送風(fēng)主氣流自送風(fēng)口垂直向下流出，并貼附人面部向下流動(dòng)。送風(fēng)夾角15°時(shí)，送風(fēng)主氣流以一定角度向外偏離人面部送出，但隨即偏向并貼附于人面部。這是由于送風(fēng)口距人頭部較近，送風(fēng)主氣流外側(cè)為開放空間而內(nèi)側(cè)緊鄰人頭部，產(chǎn)生貼附效應(yīng)。

圖7 出風(fēng)口速度矢量圖

3.3 送風(fēng)參數(shù)對(duì)頭部熱舒適狀態(tài)的影響

3.3.1 送風(fēng)溫度的影響

保持送風(fēng)角度為0°不變，熱舒適滿足率η隨送風(fēng)溫度的變化情況如圖8所示。隨著送風(fēng)溫度升高，η值先逐漸增加，而后逐漸下降，存在最優(yōu)送風(fēng)溫度范圍，不同送風(fēng)速度下最優(yōu)溫度范圍不同。當(dāng)送風(fēng)溫度低于24℃時(shí)，隨著溫度降低，風(fēng)速減小，η越大。而送風(fēng)溫度大于24℃時(shí)，隨溫度升高，風(fēng)速增大，η越大。這反映了送風(fēng)溫度與風(fēng)速之間具有耦合作用，送風(fēng)溫度升高時(shí)，需提高風(fēng)速補(bǔ)償溫升，增強(qiáng)對(duì)流換熱性能，從而保證頭部熱舒適狀態(tài)。考慮較低送風(fēng)溫度時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)口附近區(qū)域吹冷風(fēng)感而距風(fēng)口較遠(yuǎn)的頸部區(qū)域由于風(fēng)速較小造成積熱現(xiàn)象。而較高送風(fēng)溫度時(shí)需要較大風(fēng)速補(bǔ)償溫升，將增大送風(fēng)量致使空氣處理裝置體積增大，因而基于計(jì)算結(jié)果，建議送風(fēng)溫度的選取范圍為24～28℃。

圖8 熱舒適滿足率η隨送風(fēng)溫度變化關(guān)系

3.3.2 送風(fēng)風(fēng)速的影響

圖9為熱舒適滿足率η隨送風(fēng)風(fēng)速的變化曲線。顯然，η值隨送風(fēng)風(fēng)速的增大逐漸升高。送風(fēng)風(fēng)速低于0.6 m/s時(shí)，曲線斜率較大。而大于0.6 m/s時(shí)，曲線變得平緩。當(dāng)風(fēng)速為0.4 m/s時(shí)，η值小于0.9。這說明風(fēng)速較小時(shí)不易保證頭部熱舒適狀態(tài)，而風(fēng)速大于0.6 m/s時(shí)，改變風(fēng)速對(duì)η值的影響較小。同時(shí)考慮較大風(fēng)速可能導(dǎo)致頭部不適，建議送風(fēng)風(fēng)速為0.6～0.8 m/s。

圖9 熱舒適滿足率η隨送風(fēng)風(fēng)速變化關(guān)系（送風(fēng)溫度26℃）

3.3.3 送風(fēng)角度的影響

從圖10可以看出，隨著送風(fēng)角度的變化，η值變化不大，說明在0～15°的角度范圍內(nèi)，改變送風(fēng)角度對(duì)人頭部的熱舒適狀態(tài)影響較小。這是由于在送風(fēng)口和人頭部之間形成渦旋區(qū)，當(dāng)送風(fēng)溫度和速度一定時(shí)，送風(fēng)角度通過影響渦旋區(qū)面積間接影響頭部熱舒適狀態(tài)，而計(jì)算角度范圍內(nèi)，渦旋區(qū)面積隨送風(fēng)角度變化較小，參見圖7。

圖10 熱舒適滿足率η隨送風(fēng)角度變化關(guān)系（送風(fēng)溫度26℃）

4 結(jié)論

針對(duì)高溫環(huán)境下改善頭部熱舒適狀態(tài)的問題，建立了頭部傳熱模型及計(jì)算域模型，并提出熱舒適滿足率η作為頭部熱舒適狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過數(shù)值模擬分析了不同送風(fēng)參數(shù)對(duì)頭部熱舒適狀態(tài)的影響作用，主要得到以下結(jié)論：

1）基于便攜式空調(diào)系統(tǒng)的頭部送風(fēng)可在頭部周圍形成隔熱氣幕可以實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境下改善人頭部熱舒適狀態(tài)，創(chuàng)造滿足頭部舒適需求的微環(huán)境。

2）通過送風(fēng)帽送風(fēng)，合理的送風(fēng)溫度范圍為24～28℃，送風(fēng)風(fēng)速范圍為0.6～0.8 m/s。

3）送風(fēng)溫度與風(fēng)速對(duì)人體頭部的熱舒適性具有耦合作用，即送風(fēng)溫度升高時(shí)，提高風(fēng)速能夠補(bǔ)償溫升改善頭部熱舒適狀態(tài)，送風(fēng)溫度由20℃升高至30℃時(shí)，保證η值大于0.9的最小送風(fēng)風(fēng)速由0.4 m/s增大至1.0 m/s。