計(jì)算流體力學(xué)在服裝傳熱性能評價(jià)中的應(yīng)用

陳慧臻,戴宏欽,潘姝雯,胡玨,陳曦

摘 要：為突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段與一維數(shù)學(xué)模型的局限，一些研究者提出基于計(jì)算流體力學(xué)模擬人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)的熱量流動(dòng)與傳遞過程，通過計(jì)算皮膚溫度、傳熱系數(shù)等參數(shù)的方式評價(jià)服裝的傳熱性能。文章概述了仿真方法解決服裝傳熱問題的流程，揭示服裝及人體幾何模型建立、計(jì)算模型與邊界條件設(shè)定的關(guān)鍵;從著裝人體、服裝結(jié)構(gòu)、防護(hù)服裝功能角度回顧了傳熱問題的國內(nèi)外研究進(jìn)展;總結(jié)了常用人體熱生理模型的特征，介紹了熱調(diào)節(jié)-CFD耦合系統(tǒng)在服裝傳熱性能評價(jià)中的應(yīng)用?，F(xiàn)有模擬方法依然存在難以完全還原紡織材料、衣下空間分布、人體熱反應(yīng)等真實(shí)特性的問題，建議將動(dòng)網(wǎng)格、用戶自定義函數(shù)、數(shù)值模型耦合系統(tǒng)等作為深入研究方向，提高仿真評價(jià)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)（CFD）;服裝;熱傳遞;熱生理;耦合系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TS941

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2022）02-0018-09

Application of CFD in heat and flow transfer performanceevaluation for clothing

CHEN Huizhena， DAI Hongqina，b， PAN Shuwena，b， HU Juea， CHEN Xia

（a. College of Textile and Clothing Engineering; b. National Engineering Laboratory forModern Silk， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： To break down the limitations of traditional experimental means and one-dimensional mathematical models， some researchers proposed to simulate the process of heat and flow transfer in human-clothing-environment system based on computational fluid dynamics. Through the calculation of skin temperature， heat transfer coefficient and other parameters， the heat transfer properties of clothing can be evaluated. This paper summarizes the procedure of simulation to solve clothing heat transfer issues， reveals key points on establishing geometries of clothing and human body， calculating models and setting boundary conditions; reviews the progress of heat transfer research at home and abroad from the perspectives of human body， clothing structure， and protective clothing functions; concludes the characteristics of common human thermal physiological models， and introduces how to construct thermal regulation-CFD coupling system in the evaluation. It is found that existing simulation methods are still difficult to completely restore the real characteristics of textile materials， clothing space distribution， and human thermal reaction. Finally， this paper proposes recommendations of conduct in-depth research on dynamic grids， user-defined functions， and numerical model coupling systems so as to enhance the accuracy of simulation evaluation.

Key words： computational fluid dynamics（CFD）; clothing; heat transfer; thermophysiology; coupling system

人體散熱過程復(fù)雜，肌肉溫度對流傳至體核、熱傳導(dǎo)至皮膚與外環(huán)境，深部體溫對流傳至皮膚，皮膚與環(huán)境間通過輻射與對流傳熱，當(dāng)平均皮膚溫度上升至34.5℃時(shí)，汗液蒸發(fā)成為熱量散發(fā)的重要途徑[1]。在人體-服裝-環(huán)境系統(tǒng)（以下簡稱HCE系統(tǒng)）的熱量流動(dòng)與傳遞中，服裝作為媒介，不論是日常穿著還是面對繁重的工作，抑或是提供極端環(huán)境中的保護(hù)，都應(yīng)維持人體舒適，預(yù)防熱應(yīng)激等危害。

多數(shù)研究者圍繞實(shí)驗(yàn)與純數(shù)值方法展開服裝傳熱性能的探討。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段基于五級評價(jià)系統(tǒng)測量服裝與面料的熱、濕阻，收集真人實(shí)驗(yàn)生理指標(biāo)判斷人體熱濕舒適度[2]，但這些方法受人體安全與環(huán)境條件的限制，存在周期長、成本高的局限，尤其是防護(hù)類服裝。微分方程求數(shù)值解多基于一維模型[3-5]，難以整體評估通風(fēng)、開口等因素對著裝環(huán)境的影響。物理實(shí)驗(yàn)與數(shù)學(xué)方法的局限使研究者將目光投向了計(jì)算流體力學(xué)仿真方法。計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）是基于計(jì)算機(jī)仿真與可視化處理探索流體流動(dòng)、傳熱等現(xiàn)象的綜合學(xué)科，能夠通過模擬HCE系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)傳熱過程，求解各種工況下著裝人體的傳熱系數(shù)[6]和服裝衣下微環(huán)境溫度分布[7]等問題，進(jìn)而完成服裝傳熱性能的評價(jià)。本文簡述了CFD仿真流程，回顧了HCE系統(tǒng)熱量流動(dòng)傳遞數(shù)值模擬的研究成果，主要從著裝人體表面、服裝結(jié)構(gòu)、防護(hù)服裝熱性能3個(gè)方面展開論述;介紹了典型人體熱調(diào)節(jié)模型及耦合系統(tǒng)的運(yùn)用，最后總結(jié)了現(xiàn)有仿真方案的不足并指出未來研究的方向。

1 服裝傳熱問題的CFD仿真流程

利用CFD軟件解決服裝傳熱問題簡要流程如圖1所示[8]。以有限元體積法為例，首先將待研究的服裝傳熱現(xiàn)象抽象為簡化的系統(tǒng)傳熱問題，明確模擬計(jì)算的物理量;根據(jù)各類服裝的特征構(gòu)建相應(yīng)的服裝、人體幾何模型，抽取適合的計(jì)算域并劃分滿足質(zhì)量要求的計(jì)算網(wǎng)格;設(shè)置計(jì)算模型、邊界條件、求解參數(shù)等信息，軟件輔助求解質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒前提下的微分方程;獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)可視化處理為圖表，用于對比驗(yàn)證與分析，為增加模擬準(zhǔn)確度或深入研究而改變模型等參數(shù)，則重復(fù)上述步驟。

1.1 計(jì)算域構(gòu)建與網(wǎng)格劃分

服裝傳熱傳質(zhì)仿真計(jì)算常用域包括環(huán)境域、衣下內(nèi)流域，以及服裝層、人體等固體域。常用模型分為三類，如圖2所示。一是二維或三維簡化幾何模型，如Lim等[9]參考Stolwijk建立的分段同心圓柱體著裝模型，龐麗萍等[10]將人體抽象為盒狀。二是具有曲面特征的參數(shù)化模型，郭庭輝[11]結(jié)合人體圍度尺寸，通過SolidWorks軟件曲面建模操作構(gòu)建的上半身軀干模型，考慮厚度較小的服裝層對整體網(wǎng)格質(zhì)量的影響，忽略了內(nèi)外基礎(chǔ)服裝，僅以沿曲面布置的三維管路體現(xiàn)緊身結(jié)構(gòu)的液冷服造型。三是基于三維掃描或CLO3D軟件建立的模型，如Voelker等[12]、Dixit等[13]、Cheng等[14]、Tian等[15]構(gòu)建的裸體與著裝人體三維模型，保留了相對多的服裝與人體特征;這類技術(shù)是將掃描點(diǎn)帶入輔助設(shè)計(jì)軟件中，創(chuàng)建身體表面與布料層，然后將幾何體輸出到CFD軟件預(yù)處理程序中進(jìn)行網(wǎng)格生成，目前應(yīng)用較為廣泛。

計(jì)算域形狀影響網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)而干擾仿真準(zhǔn)確度，Zhang等[16]在相同條件下比較盒狀、帶手臂的球狀/圓柱狀與數(shù)字化真實(shí)人體模型計(jì)算全身對流傳熱系數(shù)的差異，發(fā)現(xiàn)與De Dear等[17]的假人試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，盒狀模擬準(zhǔn)度最差，后兩者趨于一致，并指出手臂結(jié)構(gòu)的重要性。精細(xì)的模型普遍要求較高的解算能力，一味追求全尺度造型極有可能導(dǎo)致計(jì)算災(zāi)難;一般情況，利用對稱性、降維、流動(dòng)周期性簡化的計(jì)算域滿足目標(biāo)精度即可視為有效。

1.2 計(jì)算模型與邊界條件設(shè)定

CFD軟件搭載了各類計(jì)算模型，服裝傳熱過程涉及的物理現(xiàn)象可以用其中一些模型與邊界條件描述限定，如表1所示。注意衣下空氣自然對流與強(qiáng)制對流、層流與湍流判斷，紡織材料、身體部位等介質(zhì)比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度賦值，考慮各組分含量與可能存在的化學(xué)反應(yīng)，環(huán)境參數(shù)設(shè)定。

1.3 計(jì)算后處理與仿真結(jié)果檢驗(yàn)

CFD-post等后處理軟件可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可分析的圖表，例如人體周圍熱場云圖[15]、服裝-人體微環(huán)境氣流溫度的流線圖[9]、熱通量實(shí)時(shí)變化的折線圖[20]等。仿真結(jié)果可信度檢驗(yàn)一般通過統(tǒng)計(jì)學(xué)手段與實(shí)驗(yàn)對比進(jìn)行。Sheng等[22]對比構(gòu)建的環(huán)境-防寒服-人體系統(tǒng)熱傳遞模擬值與相同條件下LD-1型服裝保溫儀的實(shí)際測量值，發(fā)現(xiàn)體表熱流量和防寒服熱阻的最大差異分別低于7.4%和7.8%，確認(rèn)二者具有良好一致性后，修改相關(guān)參數(shù)進(jìn)一步研究了不同冷環(huán)境、風(fēng)速、服裝厚度對防寒服保溫性能的影響，有效評估2met和4met代謝水平下著不同厚度防寒服的人體局部熱舒適情況。

2 基于CFD的HCE系統(tǒng)熱量流動(dòng)傳遞模擬

在基于CFD的HCE系統(tǒng)熱傳遞研究中，設(shè)置不同環(huán)境工況與不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、功能的服裝進(jìn)行模擬，可以測算著裝人體與環(huán)境的換熱量，計(jì)算對流、輻射換熱系數(shù);預(yù)測服裝微環(huán)境溫度、皮膚溫度分布，判斷人體熱濕舒適狀態(tài);簡單、高效地完成服裝傳熱性能的初步評價(jià)，輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 人體表面與環(huán)境間的熱交換預(yù)測

對流放熱使大氣中的人體包裹在邊界層組成的微氣候中，Murakami等[23]指出，腳部對流邊界層厚度約5cm，體表向上厚度不斷增加，頸部為19 cm，胸部和背部熱損失較小。邊界層的空氣溫度和流速與周圍環(huán)境明顯不同，對小氣候具有影響。

2.1.1 裸裝人體與環(huán)境的熱交換

人體各部分的形狀和大小影響微氣候熱屬性。一般情況人體對流散熱以自然對流為主，溫差越大，微氣候空氣流速越大，人體各段傳熱系數(shù)越高[24]。人們偶爾面臨10m/s以上的強(qiáng)制對流，Li等[18]應(yīng)用CFD模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室外均勻風(fēng)速12.67 m/s時(shí)，面對和穿過風(fēng)的全身對流換熱系數(shù)分別為71W/（m2·K）和76W/（m2·K）;胸部與頭部的對流換熱系數(shù)與相同環(huán)境下皮膚溫度恒定為（33.7±1）℃的暖體假人風(fēng)洞試驗(yàn)測量值差異顯著，頭部形狀越復(fù)雜，引起應(yīng)變率越大，越易擴(kuò)大這種差距;中、高風(fēng)速下剪切應(yīng)力輸運(yùn)（Shear stress transport k-omega， SST k-ω）湍流模型計(jì)算值正對風(fēng)誤差低于5%，側(cè)對風(fēng)約小于10%，具有合理的精確度。汽車駕駛艙內(nèi)環(huán)境影響駕駛員工作效率，Dixit等[13]結(jié)合CFD與簡化熱調(diào)節(jié)生物熱（Simplified thermo-regulatory bio-heat，STB）方程求解，捕捉到座椅接觸區(qū)域濕氣積聚、溫度升高，推斷25℃、50%RH的環(huán)境更滿足人體動(dòng)態(tài)熱舒適要求。

2.1.2 著裝人體周圍流場、熱場分析

服裝包覆于皮膚表面，改變輪廓，影響表面氣流。Defraeye等[25]評估了著自行車服運(yùn)動(dòng)員的19個(gè)身體部位在3種騎行姿勢下的氣流阻力與對流傳熱系數(shù)，發(fā)現(xiàn)頭部、四肢風(fēng)阻較大，四肢的對流熱損失較高，研究利于后續(xù)騎行服裝、裝備熱濕優(yōu)化。Kong等[26]將服裝簡化為具有一定熱阻的光滑無孔層，模擬低溫室內(nèi)著裝人體的局部供暖，發(fā)現(xiàn)熱空氣在腿、腳部周圍時(shí)取暖效率更佳，該方法不采用對流加熱，以傳導(dǎo)和輻射為主;在約19℃室內(nèi)環(huán)境中，面部、頭部和大腿熱通量計(jì)算值與相同加熱條件假人測量值有很好的一致性，前臂、小腿和腳部位差異高于20W/m2，這種差異可能來源于真實(shí)情況中服裝材料的透氣傳熱作用、空氣層的流動(dòng)狀態(tài)變化、服裝層熱阻的非均勻分布，也可能由于暖體假人無法主動(dòng)熱反饋，造成局部熱源接近時(shí)，表面皮膚溫度實(shí)際無法保持在相對恒定水平，與模擬設(shè)置差異過大。

2.2 服裝結(jié)構(gòu)對HCE系統(tǒng)熱交換的影響

實(shí)際穿著中，人體與服裝間存在不容忽視的空氣層，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)與紡織材料截然不同，松量收放、開口等服裝結(jié)構(gòu)變化直接影響衣下空氣厚度、體積、位置、均勻性、形態(tài)等，從而影響氣流傳熱機(jī)制，導(dǎo)致衣下微氣候狀態(tài)的改變[27]。Cheng等[14]結(jié)合23、30 ℃與40 ℃環(huán)境下受試者關(guān)鍵部位微氣候溫度測量數(shù)據(jù)，構(gòu)建穿內(nèi)、外衣褲的男性模型，模擬微環(huán)境間的傳熱物理現(xiàn)象，結(jié)果驗(yàn)證內(nèi)衣的存在對空氣層（尤其是上臂、前臂和大腿處）的平均溫度有很大的影響，對年輕人與中年人有短時(shí)間內(nèi)積聚代謝產(chǎn)熱的作用，隨著空氣層厚度的增加，其溫度也在不斷變化。

當(dāng)人體面對高溫環(huán)境、高代謝水平或是低溫環(huán)境高強(qiáng)度活動(dòng)時(shí)，服裝通風(fēng)設(shè)計(jì)以增強(qiáng)對流、促進(jìn)蒸發(fā)的方式成為熱量散失的重要途徑[28]。Lim等[9]認(rèn)為戶外運(yùn)動(dòng)服的通風(fēng)縫隙作用遠(yuǎn)大于面料本身，因此模擬肩部、中后背和下背部開縫服裝的內(nèi)外空氣流動(dòng)傳熱，發(fā)現(xiàn)下背部開縫空氣對流效果最佳，可降溫2.1℃至4.3℃。Takada等[21]使用低雷諾數(shù)（Low reynolds number k-epsilon，Low Re k-ε）湍流模型探究幾種強(qiáng)制對流和自然對流情況下的復(fù)雜形狀空氣層流動(dòng)特征，并將恒定環(huán)境條件下穿有T恤的穩(wěn)態(tài)暖體假人測量熱流與相同條件下的CFD計(jì)算值進(jìn)行了比較，認(rèn)為二者具有良好的一致性，驗(yàn)證結(jié)果顯示仿真模擬中忽略通風(fēng)服裝自身的透氣性對皮膚表面熱流的影響非常小;通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)幾種通風(fēng)路徑下，下擺通過氣流最多，頸部氣流幾乎為零，服裝出口氣流區(qū)段滲入空氣較少，單層T恤空氣層的通風(fēng)效應(yīng)總體而言對體表熱流影響不大。

2.3 防護(hù)服裝傳熱性能的針對性評價(jià)

與上文提到的日常生活中常見的T恤、運(yùn)動(dòng)服、內(nèi)衣等服裝相比，冷卻服、消防服等防護(hù)服裝具有特殊性質(zhì)，或通過額外手段如安裝風(fēng)扇影響微環(huán)境內(nèi)的熱量流動(dòng)與傳遞以達(dá)到降溫效果，或服裝材料可能在系統(tǒng)熱傳遞的同時(shí)與環(huán)境中某些成分互相作用導(dǎo)致燃燒等化學(xué)反應(yīng)，由于穿著人員工作性質(zhì)與環(huán)境特殊，真人實(shí)驗(yàn)往往難以開展，通過CFD模擬能夠設(shè)置較為極端的環(huán)境條件，針對性地評估這類服裝的特殊傳熱性能，利于防護(hù)服裝優(yōu)化設(shè)計(jì)與人體舒適分析。

2.3.1 冷卻服裝降溫性能評價(jià)

吊扇、風(fēng)扇、降溫座椅等個(gè)人降溫設(shè)備能夠有效在30℃室內(nèi)維持個(gè)體熱舒適受到廣泛關(guān)注，在服裝上表現(xiàn)為風(fēng)冷服、液冷服與相變降溫服等[19]，職業(yè)服裝如宇航服等因其工作性質(zhì)也要求具有降溫功能，為了控制成本與維護(hù)被試安全，研究者開始使用CFD仿真評價(jià)制冷效果，如表2所示。

2.3.2 消防服裝熱防護(hù)性能評價(jià)

熱防護(hù)服是消防員與工人在高熱環(huán)境下工作的重要防熱屏障，為了在閃火與高強(qiáng)度的火焰對流和輻射熱中保護(hù)人體免受傷害，熱防護(hù)服織物的熱物理特性、熱防護(hù)服形態(tài)與衣下空氣的隔熱作用需要特別關(guān)注。

真實(shí)織物與人體的垂直氣隙中存在明顯的對流單元，Udayraj等[33]針對83kW/m2的熱暴露開發(fā)織物-空氣層系統(tǒng)的傳導(dǎo)、對流和輻射共軛傳熱模型，發(fā)現(xiàn)垂直氣隙方向具有更好的保護(hù)效果，火焰暴露強(qiáng)度的增加會(huì)削弱服裝的熱防護(hù)性能。模擬結(jié)果與Hsu等[34]的實(shí)驗(yàn)測量值對比，在火焰暴露的情況下織物前表面溫度低于測量值，最大差異為8.2%，后表面溫度10 s后二者趨于一致，差異低于6.6%;在熱輻射的情況下前表面溫度10 s后最大差異小于3.5%，熱通量最大差異低于12%，認(rèn)為數(shù)值模擬具有一定的準(zhǔn)確性。這也證明一些常用的簡化假設(shè)如忽略熱防護(hù)服裝衣下空氣層對流、設(shè)置恒定的織物熱物理特性，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)傳熱分析和二次燒傷預(yù)測出現(xiàn)相當(dāng)大的偏差。Talukdar等[35]則使用CFD求解Navier-Stokes和能量方程，研究臺(tái)式熱防護(hù)測試設(shè)備水平氣隙的流動(dòng)與傳熱，在氣隙較窄時(shí)模擬結(jié)果相當(dāng)接近實(shí)驗(yàn)值。

Tian等[15]建立全尺寸燃燒室與假人三維掃描模型，在人-熱防護(hù)服-燃燒室系統(tǒng)瞬態(tài)傳熱計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，6.35mm的氣隙在阻熱方面比單層服裝起著更關(guān)鍵的作用;與燃燒假人實(shí)驗(yàn)室測試值相比，模擬熱流分布更加對稱，人體各部位熱流平均差異為12.9 kW/m2，70%部位相對差異不超過20%，雖然存在右臂、左腿和前頸的局部較大差距，但仍滿足標(biāo)準(zhǔn)ISO13506《防熱和防火防護(hù)服-完整服裝的試驗(yàn)方法-用裝備儀器的假人對燃燒傷害的預(yù)測》與假人測試的要求。

3 人體熱調(diào)節(jié)模型與CFD的耦合運(yùn)用

CFD仿真中，人體熱邊界通常由表面溫度與表面熱流描述[36]。固定壁面溫度無法反映環(huán)境與服裝對人體的熱作用，僅適合絕對舒適階段，固定熱流難以詮釋長時(shí)間內(nèi)局部熱生理實(shí)時(shí)變化。在熱反應(yīng)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展CFD耦合系統(tǒng)，為確定服裝、人與其周圍環(huán)境之間的瞬時(shí)相互作用提供了可能。

3.1 典型人體熱調(diào)節(jié)模型

熱調(diào)節(jié)模型的核心思想可以概括為分段、分層，Gagge雙節(jié)點(diǎn)模型[37]將人體簡化為皮膚與核心層構(gòu)成的同心圓柱體，測算均勻環(huán)境下的表面皮膚溫度與體內(nèi)產(chǎn)熱、體外換熱量。多節(jié)點(diǎn)模型伴隨著雙節(jié)點(diǎn)模型出現(xiàn)，Stolwijk模型[38]極大地影響了空間環(huán)境中防護(hù)服的設(shè)計(jì)，在其工作基礎(chǔ)上，發(fā)展了一系列多節(jié)點(diǎn)模型，特征如表3所示。

3.2 熱調(diào)節(jié)-CFD耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

通過熱調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算身體各部位在環(huán)境工況下的瞬態(tài)熱流量與溫度，從內(nèi)至外賦值人體各層邊界，根據(jù)圖3所示原理實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)-CFD系統(tǒng)耦合。Junning等[44]將人體熱輻射應(yīng)力響應(yīng)模型嵌入CFD中，求解穿著單層熱防護(hù)服人體核心溫度變化，結(jié)合核心溫度閾值和暴露時(shí)間，可以合理安排不同熱環(huán)境條件下的救援作業(yè)時(shí)間，減緩熱應(yīng)激，提高救援效率，保障人們的生命安全。

研究人員基于不同環(huán)境與鏈接方式開發(fā)了多種耦合系統(tǒng)。楊杰[45]通過換熱量與數(shù)值模型的重復(fù)回代計(jì)算，再現(xiàn)具有熱反饋功能的HCE系統(tǒng)傳熱過程，預(yù)測29℃常溫與45℃高溫環(huán)境人體各部位顯熱、輻射、對流換熱量與皮膚溫度的60 min內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境中，30 min至40 min間人體各部位皮膚溫度顯著上升。仿真模擬值的驗(yàn)證分為兩部分，首先設(shè)置相同工況（環(huán)境溫度19 ℃，皮膚溫度固定為31℃）與De Dear等[17]的假人風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量值及Sorensen等[46]的CFD模擬值對比，發(fā)現(xiàn)多數(shù)部位顯熱換熱量、輻射換熱系數(shù)相對誤差低于10%，所得人體輻射換熱系數(shù)4.45 W/（m2·K）吻合標(biāo)準(zhǔn)ASHRAE 55-2010《人類居住的熱環(huán)境條件》的4.7 W/（m2·K），人體對流換熱系數(shù)2.82W/（m2·K）接近 Sorensen模擬值3.13 W/（m2·K），由于風(fēng)力水平的差異，該值與測量值差距較大;耦合系統(tǒng)的準(zhǔn)確度由皮膚溫度仿真計(jì)算值與相同條件著裝人體熱生理實(shí)驗(yàn)測量值的偏差表征，常溫與高溫環(huán)境下胳膊以外的部位偏差最大不超過1℃，預(yù)測效果可以接受。Voelker等[12]編寫自動(dòng)迭代JavaScript腳本鏈接求解器與伯克利熱舒適（UC berkeley comfort， UCB）模型，達(dá)到由停止標(biāo)準(zhǔn)定義的收斂后，歸納局部與整體熱感函數(shù)。耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬彌補(bǔ)了高溫環(huán)境暖體假人局部皮膚溫度過高無法作業(yè)的技術(shù)缺陷，能夠較精確地模擬對流與輻射換熱量，適合針對性地評估非均勻環(huán)境工況的服裝傳熱性能與人體各部位熱舒適性。

4 不足與發(fā)展趨勢

準(zhǔn)確度是CFD評價(jià)服裝傳熱性能始終面臨的考驗(yàn)，雖然環(huán)境溫度、空氣溫度、服裝開口處風(fēng)速、初始皮膚溫度、防化服氣閥氣壓等邊界條件參數(shù)與織物的比熱容、密度、表面發(fā)射率等物理性質(zhì)可以通過采取儀器測量數(shù)據(jù)等方式盡可能貼近現(xiàn)實(shí)，但紡織材料往往為柔性多孔介質(zhì)，不能簡單地以單層光滑曲面模型描述;現(xiàn)有人體熱反應(yīng)模型還無法完全還原肌肉血液共同參與的復(fù)雜熱調(diào)節(jié)過程，耦合系統(tǒng)稍顯稚嫩;工作狀態(tài)人體皮肉、關(guān)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)致衣下空間非均勻變化，固定邊界與實(shí)際相悖。為了提高模擬準(zhǔn)確度，服裝傳熱CFD仿真未來可以著眼以下方向：

a）動(dòng)區(qū)域、動(dòng)網(wǎng)格模型使用：人體運(yùn)動(dòng)時(shí)皮膚拉扯，服裝廓形扭曲，影響HCE系統(tǒng)流體流動(dòng)狀態(tài)與傳熱，通過運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系化動(dòng)態(tài)區(qū)域?yàn)榉€(wěn)態(tài)問題，動(dòng)網(wǎng)格實(shí)時(shí)更新計(jì)算域邊界，能夠在真實(shí)物理現(xiàn)象還原方面更進(jìn)一步。

b）用戶自定義函數(shù)補(bǔ)充：在仿真計(jì)算過程中，CFD軟件內(nèi)未直接要求的邊界性質(zhì)、網(wǎng)格劃分、流體形式等條件，可以通過Profile文件與用戶自定義函數(shù)（User-defined function， UDF）補(bǔ)充與限定。防護(hù)服面料內(nèi)部有影響傳熱傳質(zhì)的液體毛細(xì)管作用、氣體吸附等物理現(xiàn)象，Barry等[47]開發(fā)普通織物層傳質(zhì)模型，通過UDF結(jié)合Fluent內(nèi)可變滲透率氣相傳輸、液相吸收傳輸、蒸發(fā)冷凝等模塊，評價(jià)不同環(huán)境條件下服裝性能對材料特性的敏感響應(yīng)，這也是值得拓展的研究方向。

c）數(shù)值模型耦合系統(tǒng)深入研發(fā)：CFD和人體熱調(diào)節(jié)數(shù)值模型的耦合，幾乎可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生結(jié)果，在未來的應(yīng)用中可以考慮新的系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳遞算法，或是對環(huán)境條件進(jìn)行互動(dòng)控制，將呼吸過程納入耦合系統(tǒng)中，研究蒸發(fā)和呼吸的熱量損失對人體微氣候的影響。不斷改進(jìn)各類環(huán)境適用的熱反應(yīng)數(shù)值模型，考慮服裝層在CFD求解器與耦合模型同時(shí)存在的必要性。

CFD仿真輔助下評價(jià)服裝傳熱性能，可以預(yù)測不同工況的人體換熱系數(shù)與衣下微環(huán)境數(shù)值，根據(jù)體核、皮膚溫度分布情況初步判斷人體舒適程度，具有一定的靈活性與實(shí)用性。未來工作重點(diǎn)仍離不開確定合理的計(jì)算域模型，以有限的計(jì)算資源更精確地完成目標(biāo);軟件迭代計(jì)算前應(yīng)確保計(jì)算模型與假設(shè)取值符合自然規(guī)律，必要時(shí)通過相同條件試驗(yàn)校驗(yàn)并修正模擬設(shè)計(jì)。今后可以通過服裝材料、結(jié)構(gòu)變量控制與耦合系統(tǒng)，盡情探索現(xiàn)實(shí)空間物理實(shí)驗(yàn)所無法揭示的熱量與流動(dòng)的奧秘。

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