基于Berkeley 熱舒適模型的起重機(jī)操作室熱舒適性優(yōu)化

戴 敏， 丁 亭， 呂 蘭， 宋 凱

（1.三一汽車起重機(jī)機(jī)械有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410600；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展， 人們對(duì)車輛的舒適度要求日益增加。熱舒適性較差的環(huán)境會(huì)降低駕駛員工作準(zhǔn)確率，引起誤操作[1]。 由于操作室環(huán)境復(fù)雜，室內(nèi)熱舒適性問題日益凸顯，因此研究其操作室的熱舒適性有重要意義。

目前學(xué)者對(duì)轎車汽車熱舒適性進(jìn)行了研究。 張炳力等人通過更改空調(diào)風(fēng)道和出風(fēng)口位置來提升乘員熱舒適性[2]。周勝等人考慮輻射對(duì)人體和乘員艙內(nèi)溫度和氣流速度分布的影響[3]。鄭習(xí)嬌研究了在汽車瞬態(tài)不均勻環(huán)境中的乘員熱反應(yīng)和熱舒適的動(dòng)態(tài)變化情況[4]。

本文以起重機(jī)操作室為研究對(duì)象， 分析操作室內(nèi)流場(chǎng)和人體溫度分布，對(duì)假人的整體、局部熱感覺和人體舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 根據(jù)分析結(jié)果， 本文提出了三種優(yōu)化方案， 并進(jìn)行降溫性和吹風(fēng)效果分析以及對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行操作員熱舒適性評(píng)價(jià)。

1 Berkeley 熱舒適模型

乘員熱舒適性是乘員對(duì)周圍環(huán)境所做的主觀滿意度評(píng)價(jià)， 科學(xué)的熱舒適性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是分析乘員艙熱環(huán)境和評(píng)價(jià)乘員熱舒適性的前提[5]。 本文采用Berkeley 熱舒適評(píng)價(jià)模型， 該模型是242 次非均勻環(huán)境下的受試者實(shí)驗(yàn)得出[6]，在人體熱調(diào)節(jié)模型的基礎(chǔ)上考慮了人體局部熱調(diào)節(jié)反應(yīng)計(jì)算人體的整體和局部熱感覺以及熱舒適指標(biāo)。

人體熱調(diào)節(jié)模型包含兩部分： 被動(dòng)物理系統(tǒng)將人體劃分為21 個(gè)不同的節(jié)段，各節(jié)段劃分為不同內(nèi)徑的組織層；主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)量化人體對(duì)外界冷熱刺激的調(diào)節(jié)過程。

人體各節(jié)段熱平衡采用生物熱方程表示：

式中：k—組織導(dǎo)熱率；T—組織溫度；ρ—組織密度；r為半徑；w—幾何系數(shù)，1—柱坐標(biāo)，2—球坐標(biāo)（頭部）；qm—代謝產(chǎn)熱量；wbl—血液灌注速率；Tbla—?jiǎng)用}溫度；c—組織比熱容；t—時(shí)間。

人體皮膚和外界處于平衡狀態(tài)， 人體表面凈熱流量qsk為：

式中：qc—對(duì)流換熱量；qr—環(huán)境表面輻射；qsR—太陽輻射；qe—蒸發(fā)換熱量。 其中：

式中：he，mix，hr，he—對(duì)流換熱、輻射換熱以及蒸發(fā)散熱系數(shù)；Tsf，Tair，Tsr，m—皮膚表溫、 室溫以及室內(nèi)表面平均輻射溫度；αsf—表面吸收率；ψsf-sr—角 系數(shù)；Psk，Pair—皮膚和空氣表面水蒸氣分壓。

人體主動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是通過將人體實(shí)際溫度與基準(zhǔn)溫度的差值信號(hào)傳遞給下丘腦， 下丘腦體溫調(diào)節(jié)中樞進(jìn)行判斷，通過排汗、血液舒縮和顫抖等行為來調(diào)節(jié)體溫。 人體熱調(diào)節(jié)反應(yīng)寒顫量Sh、出汗量Sw、血管收縮量Cs和舒張量Dl分別表示為：

人體局部、 整體熱感覺和熱舒適水平可用Berkeley熱舒適模型來計(jì)算。 動(dòng)態(tài)局部熱感覺TSi計(jì)算式為：

式中：TSi—各部位局部熱感 覺，C、K1均 為系數(shù)，Tsk，i，Tsk，i，0分 別 為 局 部 皮 膚 溫 度 和 局 準(zhǔn) 溫 度，Tsk，i，0、Tsk，0—皮 膚均溫及其設(shè)定值；Tcr—核心溫度。

人體局部熱感覺投票值直接影響整體熱感覺， 對(duì)于高水平熱感覺， 當(dāng)?shù)谌缶植繜岣杏X數(shù)值Slocal，third，max≥2時(shí)，整體熱感覺Soverall為：

當(dāng)?shù)谌【植繜岣杏X數(shù)值Slocal，third，min≤-2 時(shí)，

對(duì)于低水平熱感覺，當(dāng)Slocal，third，max≤2 時(shí)，

式中：Slocal，i，max—局部熱感覺以降序排列。

當(dāng)Slocal，i，min≥-2 時(shí)，

式中：Slocal，i，min—局部熱感覺以升序排列。

對(duì)人體熱感覺依據(jù)九點(diǎn)的Berkeley 舒適標(biāo)尺來評(píng)價(jià)，如表1 所示。

表1 熱感覺評(píng)價(jià)標(biāo)尺Tab.1 Thermal sensory evaluation scale

2 仿真模型說明

2.1 操作室模型的建立

建立操作室模型， 包括空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)與假人模型，空調(diào)系統(tǒng)共有6 個(gè)出風(fēng)口，在儀表板上，座椅下方以及背板中部分別布置兩個(gè)圓形出風(fēng)口，兩個(gè)回風(fēng)口分別布置在操作室的后下方。 起重機(jī)操作室和空調(diào)管路模型如圖1 所示。 通過Hypermesh 進(jìn)行幾何處理和面網(wǎng)格劃分，然后使用STAR-CCM+進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，體網(wǎng)格數(shù)量為700 萬。

圖1 起重機(jī)操作室及空調(diào)管路模型Fig.1 Model of crane operation room and air-conditioning pipeline

2.2 分析工況說明

STAR-CCM+模型設(shè)置計(jì)算域入口邊界為質(zhì)量入口，質(zhì)量流量為0.10kg/s，空氣溫度為20℃；設(shè)置出口邊界為壓力出口， 壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。 環(huán)境溫度為50℃， 采用Relizable k-ε 湍流模型。

將穩(wěn)態(tài)的模型溫度和換熱數(shù)據(jù)導(dǎo)入TAITherm，作為人體熱調(diào)節(jié)模型計(jì)算邊界條件。設(shè)置人體組織生理特性，環(huán)境溫度為50℃，相對(duì)濕度設(shè)置為50%，服裝熱阻設(shè)置為0.09clo，操作員代謝量為1.2Met。

3 結(jié)果分析與優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

3.1 STAR-CCM 模型結(jié)果分析

流場(chǎng)是影響人體熱舒適性的重要因素， 操作室流速及人體溫度分布如圖2 所示。高速氣流直吹人體面部、手臂和小腿處，導(dǎo)致皮膚局部溫度較低，會(huì)直接引起人體局部不舒適性問題。 本計(jì)算模型可保證室內(nèi)均溫穩(wěn)定在28.5℃，此條件可作為人體熱舒適度評(píng)估基準(zhǔn)。

圖2 操作室流速分布及人體溫度分布Fig.2 Operating room velocity distribution and human temperature distribution

3.2 TAITherm 模型結(jié)果分析

根據(jù)TAITherm分析計(jì)算， 操作員人體整體和局部熱感覺評(píng)估如表2 所示。 人體的上臂和小腿的冷感較強(qiáng)， 這與上節(jié)分析結(jié)果一致， 驗(yàn)證了分析模型的可靠性。

人體頭部、下臂熱感覺值為小于-1，感覺稍涼，而人體上臂和小腿熱感覺值在-2 左右，感覺為涼。人體局部熱舒適性降低會(huì)直接影響整體熱舒適性，根據(jù)計(jì)算整體熱感覺值為-2.23，熱舒適性較差。

表2 操作員整體與局部熱感覺評(píng)估Tab.2 Operator overall and local thermal sensation assessment

3.3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上節(jié)存在的問題， 為獲取滿意的內(nèi)流場(chǎng)和熱舒適性，本文對(duì)空調(diào)中排管路以及空調(diào)出風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化。為避免人體小腿被冷風(fēng)直吹， 本文設(shè)計(jì)兩種中排管路結(jié)構(gòu)， 如圖3所示。 結(jié)構(gòu)1 為減小風(fēng)管間距，設(shè)為85mm； 結(jié)構(gòu)2 中改為單風(fēng)管。結(jié)構(gòu)2 的設(shè)計(jì)會(huì)增大各出口風(fēng)速，為降低對(duì)熱舒適性影響，對(duì)其設(shè)計(jì)0.08kg/s 的風(fēng)量。 具體分析方案由表3 所示。

圖3 中排出風(fēng)口布置方案Fig.3 Arrangement of exhaust air outlet

3.4 優(yōu)化方案結(jié)果分析

3.4.1 STAR-CCM+模型結(jié)果分析

系統(tǒng)風(fēng)量與風(fēng)口結(jié)構(gòu)會(huì)影響操作室的降溫效果， 溫降情況如表4 所示。方案1 與原方案溫降效果基本一致。方案2 中系統(tǒng)風(fēng)量降低了20%，室內(nèi)均溫上升了3.1℃。 方案3中排設(shè)計(jì)為單風(fēng)口，出風(fēng)口面積減小，流速增加，從而增加了管內(nèi)流動(dòng)阻力，導(dǎo)致室內(nèi)平均溫度上升了0.9℃。

四種優(yōu)化方案的流場(chǎng)分析結(jié)果如圖4所示，均存在氣流直吹人體局部部位，原方案中人體面部、小腿部位被高速氣流直吹；方案1 中小腿部位情況得到改善；方案2 后排出風(fēng)口的風(fēng)量明顯增加，吹向手肘處的風(fēng)速增加，局部舒適度下降；方案3 與方案2 相比，人體手肘處的風(fēng)速增加，不舒適感增強(qiáng)。 方案2 與方案3 中人體面部情況改善，這是因?yàn)榍芭懦鲲L(fēng)口風(fēng)速增加，減少了氣流的發(fā)散程度，避免氣流直吹面部。

表3 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)Tab.3 Optimization scheme design

表4 操作室溫降情況Tab.4 Operating temperature drop

圖4 操作室流場(chǎng)分析結(jié)果Fig.4 Analysis result of flow field in operating room

考慮操作員實(shí)際操作情況，綜合評(píng)價(jià)操作室空調(diào)的降溫性和吹風(fēng)效果，方案2 對(duì)降溫效果影響大，方案3 手肘不適感較強(qiáng)且數(shù)據(jù)更改量大，因而方案1 為工程最優(yōu)方案。

3.4.2 TAITherm 模型結(jié)果分析

根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果， 對(duì)方案1 和原方案的舒適性進(jìn)行對(duì)比分析，具體見表5。其中PMV 指數(shù)表示人體熱感覺投票的平均值，而PPD 表示熱環(huán)境中不滿意人數(shù)的百分比。 優(yōu)化方案1 中PMV 由-1.62 提升到了-0.43， 為輕微冷感， 主要原因是人體腿部浸沒在低溫區(qū)；PPD 由56.21%降低到17.65%，舒適性指標(biāo)明顯提升；整體熱感覺也提升到了-0.27，這表示人體局部及整體熱舒適度得到了大幅度提高。

4 結(jié)論

通過STARCCM+和TAITherm的仿真，分析了操作室流速以及人體表面溫度分布對(duì)人體舒適性的影響。 原設(shè)計(jì)中操作室內(nèi)空調(diào)中出風(fēng)口氣流分別直接吹向人體面部、手肘和小腿，使得該部位感覺較涼，人體整體熱舒適性較差。本文對(duì)空調(diào)中排管路和系統(tǒng)風(fēng)量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過計(jì)算分析，方案1 的操作室空調(diào)的降溫性和吹風(fēng)效果最佳， 操作員人體熱舒適性得到了大幅度提升，整體熱感覺由-2.23 提升到-0.27，不滿意人數(shù)百分比PPD 從56.21%降低到17.65%。

表5 整體熱舒適性評(píng)估Tab.5 Overall thermal comfort assessment