空調(diào)服近體流動(dòng)與換熱研究

許鵬飛 唐 豪

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空調(diào)服近體流動(dòng)與換熱研究

許鵬飛 唐 豪

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 南京 210016）

為了探討空調(diào)服系統(tǒng)的流動(dòng)與換熱規(guī)律，基于人體外形創(chuàng)建了體表-服裝幾何模型。采用數(shù)值仿真的方法研究了橫向型管路系統(tǒng)的流動(dòng)分配特征，探討了體表平均溫度、內(nèi)外溫差關(guān)于入口速度、入口溫度的變化關(guān)系。結(jié)果顯示：管路質(zhì)量流量分配存在突變現(xiàn)象；體表上半部分溫度低于下半部分溫度；體表平均溫度、內(nèi)外溫差與入口速度成二次函數(shù)關(guān)系，與入口溫度成線性關(guān)系；入口溫度每升高1℃，體表平均溫度升高0.34℃，而內(nèi)外溫差降低0.33℃。

空調(diào)服；流動(dòng)換熱；幾何模型；數(shù)值仿真

0 引言

進(jìn)入新時(shí)代，人民對(duì)美好生活的向往已成為全社會(huì)所為之奮斗的目標(biāo)。在這樣的大背景下，軍警、消防、采礦等特種行業(yè)惡劣的工作環(huán)境越來越得到人們的關(guān)注。特種行業(yè)從業(yè)人員常常須忍受37℃以上的高溫，例如深井采礦，有的工作面上隅角溫度可達(dá)37～40℃[1]。身處如此環(huán)境中開展工作，作業(yè)人員的身體健康安全時(shí)刻面臨著威脅。環(huán)境溫度過高，人體產(chǎn)熱不能及時(shí)散發(fā)，只能積蓄在體內(nèi)，導(dǎo)致體溫上升，產(chǎn)生熱應(yīng)激，這樣一來作業(yè)人員注意力下降，體力逐漸消耗殆盡，不僅降低了工作效率，而且更容易引發(fā)生理異常，重者甚至威脅生 命[2,3]。因此，有必要研制出一套空調(diào)服系統(tǒng)，改善人體微環(huán)境，即使身處惡劣境況也能保障人體熱舒適性，從根本上杜絕了安全事故的發(fā)生。

近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)空調(diào)服進(jìn)行了大量的研究，取得了碩果累累的成就。劉靜[4]等人提出了一種基于風(fēng)扇陣列驅(qū)動(dòng)的空調(diào)服，其原理是在衣服中布置若干微小型風(fēng)扇，每個(gè)風(fēng)扇體積介于1mm3到1cm3，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，增強(qiáng)空氣與人體表面的對(duì)流換熱，達(dá)到降溫冷卻的目的。曾彥彰[5]等人又對(duì)該種空調(diào)服進(jìn)行了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：在室內(nèi)環(huán)境下，相比于無風(fēng)扇時(shí)36℃的體表溫度，身穿空調(diào)服可將體表溫度降至29℃；而在太陽(yáng)輻射環(huán)境下，無風(fēng)扇時(shí)體表溫度是40.3℃，身穿空調(diào)服可將體表溫度降至30℃。李伊潔[6]等人介紹了國(guó)內(nèi)外通用的熱舒適評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，闡述了人體熱舒適研究的發(fā)展趨勢(shì)。王濤[7]等人在實(shí)驗(yàn)中嘗試向液冷服注入TiO2納米流體充當(dāng)冷卻液，并將其散熱性能與冷卻液為水的情形作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)納米流體冷卻服散熱性能與流體質(zhì)量流量、進(jìn)口溫度和納米顆粒體積分?jǐn)?shù)有關(guān)。Maurissa[8]等人針對(duì)現(xiàn)有冷卻服裝的固有缺陷，提出將熱電制冷器應(yīng)用于氣冷服，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：熱電制冷裝置可在低功率狀態(tài)下順利運(yùn)行，同時(shí)空氣溫度可被降低約10℃，完全可以達(dá)到預(yù)期目的。王軍[9]建立了人體微環(huán)境模型，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)四種典型氣流組織模式進(jìn)行了分析，并得到了各自的室內(nèi)人體微環(huán)境需求目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)特征。

本文基于ANSYS Fluent數(shù)值仿真，重點(diǎn)研究了空調(diào)服近體流動(dòng)與換熱規(guī)律，推導(dǎo)了體表平均溫度、內(nèi)外溫差關(guān)于入口速度、入口溫度的函數(shù)關(guān)系，確立了設(shè)計(jì)和優(yōu)化空調(diào)服應(yīng)遵循的基本原則，同時(shí)也為個(gè)體冷卻裝備的研究提供思路和借鑒。

1 模型及數(shù)值方法

1.1 物理模型

圖1 人體幾何模型

本文只研究人體上身軀干，不涉頭部及四肢。采用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件UG NX10.0建立人體幾何模型，如圖1所示。

圖1為成年男子上身模型，所涉及的尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 人體模型尺寸數(shù)據(jù)

基于人體模型架構(gòu)，進(jìn)而建立體表-服裝幾何模型，如圖2所示。模型中包括外基礎(chǔ)服裝、空氣夾層、體表和管路。

人體與外界環(huán)境是通過皮膚進(jìn)行熱量交換，因此將皮膚，即人體表面設(shè)定為幾何模型內(nèi)邊界，而不考慮人體內(nèi)部的物理、化學(xué)變化。圖2中模型的最外層為外基礎(chǔ)服裝，為了模型的簡(jiǎn)化，本文在此忽略其厚度。服裝層與體表之間留有30mm的空氣夾層，用于配置管路系統(tǒng)。本文選用橫向型管路系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 橫向型管路

管路由4根橫向回路及1根縱向主軸構(gòu)成，每根管路直徑均為22mm，管路表面共開有19個(gè)小孔，孔徑16mm。按照從左至右，自上而下的原則依次為每個(gè)出口編號(hào)，即從1號(hào)至19號(hào)。冷氣流通過各個(gè)小孔流出，與皮膚進(jìn)行對(duì)流換熱，促進(jìn)人體散熱，從而降低體溫。

1.2 數(shù)學(xué)模型

本文針對(duì)穩(wěn)態(tài)、常物性、不可壓縮流體，數(shù)學(xué)模型控制方程為[10]：

湍動(dòng)能方程：

湍動(dòng)能耗散方程：

1.3 邊界條件

體表-服裝幾何模型的外表面是忽略厚度的服裝層，它與外界環(huán)境發(fā)生對(duì)流換熱，在此定義環(huán)境溫度為37℃，服裝表面對(duì)流換熱系數(shù)為10W/(m2·K)；體表源源不斷地向外界散發(fā)熱量，定義其單位面積散熱量為50W/m2；橫向型管路冷氣入口定義為速度入口，即velocity-inlet；幾何模型中的頸口、袖口、底面出口均定義為壓力出口，即pressure-outlet。

1.4 數(shù)值方法

本文數(shù)值方法基于有限容積法（Finite Volume Method, FVM），采用ANSYS ICEM CFD對(duì)模型劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為3314677。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)模型。壓力和速度的耦合關(guān)系采用Simple算法。湍動(dòng)能方程及湍流耗散率方程的對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，動(dòng)量方程與能量方程的對(duì)流項(xiàng)采用Quick格式進(jìn)行離散。

2 結(jié)果與討論

本文采用ANSYS Fluent 16.0作為仿真工具，分別模擬了空調(diào)服在不同入口速度、入口溫度條件下近體流動(dòng)與換熱狀況，歸納總結(jié)了空調(diào)服使用過程中的規(guī)律特征。

2.1 體表溫度分布

如圖4所示為入口速度v=14m/s、入口溫度T=18℃時(shí)的體表溫度分布云圖。

（a）前身

（b）后背

圖4 體表溫度分布

Fig.4 Temperature distribution on body surface

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，溫度最高區(qū)域出現(xiàn)在體表下半部分，位于腰部?jī)蓚?cè)；溫度較低區(qū)域出現(xiàn)在體表上半部分，位于前胸及后背脊椎位置。這種溫度分布特點(diǎn)與管路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)。

結(jié)合圖5分析，即管路流線圖，氣流進(jìn)入主軸管后，更多地匯聚于最上側(cè)回路，因此從上側(cè)回路出口流出的氣流占多數(shù)。

圖5 管路流線圖

體表溫度分布特點(diǎn)也可從管路各出口質(zhì)量流量分配得到印證。

圖6 管路質(zhì)量流量分配

2.2 入口速度對(duì)制冷性能的影響

圖7 體表平均溫度隨入口速度的變化

控制入口溫度T不變，改變?nèi)肟谒俣?i>v，得到T在不同定值條件下v對(duì)空調(diào)服制冷性能的影響。圖7展示了體表平均溫度隨入口速度的變化情況。

隨著入口速度的增大，體表溫度逐漸降低，但降低的幅度越來越小，即體表溫度下降越緩慢。以入口溫度T=14℃為例，當(dāng)入口速度v從8m/s增至9m/s時(shí)，體表平均溫度T降低0.94℃，而當(dāng)入口速度v從13m/s增至14m/s時(shí)，體表平均溫度T降低0.43℃，降幅僅為前者的45.74%。

圖8展示了內(nèi)外溫差隨入口速度的變化情況。

圖8 內(nèi)外溫差隨入口速度的變化

內(nèi)外溫差Δ是指衣內(nèi)空氣層平均溫度與外界環(huán)境溫度的差值。觀察圖8發(fā)現(xiàn)，隨著入口速度的增大，內(nèi)外溫差逐漸升高，但上升的幅度越來越小，即內(nèi)外溫差上升越緩慢，這一點(diǎn)與體表平均溫度的變化情況相反但類似。同樣以入口溫度T=14℃為例，當(dāng)入口速度v從8m/s增至9m/s時(shí)，內(nèi)外溫差Δ升高0.55℃，而當(dāng)入口速度v從13m/s增至14m/s時(shí)，內(nèi)外溫差Δ升高0.26℃，增幅僅為前者的47.27%。

根據(jù)變化曲線圖，利用多項(xiàng)式擬合的方法，分別得到體表平均溫度、內(nèi)外溫差隨入口速度的變化關(guān)系，即：

其中，b、ΔT均為截距，大小與入口溫度有關(guān)。

2.3 入口溫度對(duì)制冷性能的影響

控制入口速度v不變，改變?nèi)肟跍囟?i>T，得到v在不同定值條件下T對(duì)空調(diào)服制冷性能的影響。

圖9 體表平均溫度隨入口溫度的變化

圖10 內(nèi)外溫差隨入口溫度的變化

圖9、10所示分別為體表平均溫度、內(nèi)外溫差隨入口溫度的變化情況，很容易發(fā)現(xiàn)，兩者均隨入口溫度線性變化。入口溫度每升高1℃，體表平均溫度將升高0.34℃，而內(nèi)外溫差將下降0.33℃。

最后，通過線性擬合的方法，得到相應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式，即：

T=0.3381T+b（8）

=-0.3297T+b（9）

其中，b、ΔT均為截距，大小與入口速度有關(guān)。

3 總結(jié)與展望

本文基于人體外形創(chuàng)建了體表-服裝幾何模型，通過數(shù)值仿真研究了空調(diào)服近體流動(dòng)與換熱規(guī)律，所得結(jié)論主要有：

（1）體表溫度分布呈現(xiàn)“上冷下熱”的特點(diǎn)；

（2）管路系統(tǒng)各出口質(zhì)量流量分配存在突變現(xiàn)象；

（3）體表平均溫度、內(nèi)外溫差關(guān)于入口速度成二次函數(shù)關(guān)系，且入口速度越大，其對(duì)空調(diào)服制冷性能的影響越?。?/p>

（4）體表平均溫度、內(nèi)外溫差關(guān)于入口溫度成線性關(guān)系，入口溫度每升高1℃，體表平均溫度將升高0.34℃，而內(nèi)外溫差將下降0.33℃。

由于本文只討論了橫向型管路系統(tǒng)，且表面開口數(shù)量固定，因此，有關(guān)管路系統(tǒng)及開口數(shù)量對(duì)空調(diào)服制冷性能的影響有待進(jìn)一步的研究。

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Research on the Flow and Heat Transfer Around Body of Air-Conditioning Garment

Xu Pengfei Tang Hao

( College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016 )

In order to explore the regulation of the flow and heat transfer in air-conditioning garment system, a geometric model of body surface-garment was created based on the body shape. By numerical simulation, the flow distribution characteristic in horizontal pipeline system was studied and the relationships between average temperature on body surface, temperature difference between inside and outside and inlet velocity, inlet temperature were discussed. The results show that: there is mutation phenomenon during the flow distribution of pipeline; the temperature of upper half part on body surface is lower than the temperature of lower half part on body surface; the relationships between average temperature on body surface, temperature difference and inlet velocity are quadratic functions, as linear relationships with inlet temperature; when inlet temperature increases by 1℃, average temperature on body surface will increase by 0.34℃, temperature difference will decrease by 0.33℃.

air-conditioning garment; flow and heat transfer; geometric model; numerical simulation

O551

B

南京市321計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2013B03004）

許鵬飛（1992-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榭照{(diào)服及其應(yīng)用，E-mail：1660494071@qq.com

唐 豪（1960-），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事近體調(diào)溫技術(shù)的研究，E-mail：hao.tang@nuaa.edu.cn

2018-01-16

1671-6612（2018）05-555-05