基于FLUENT模擬人體海水浸漬失溫模擬研究和石墨烯保暖救生衣設(shè)計(jì)

朱建梁 陳統(tǒng)銷 田花蔓

最近失溫死亡事件頻發(fā)，發(fā)生在甘肅白銀超級馬拉松失溫死亡事件和發(fā)生在云南哀牢山地質(zhì)勘探人員失溫死亡事件，說明人體失溫的可怕。但是最可怕的人體失溫事件往往發(fā)生在海難事故。如果沒有特殊措施，由于海水的比熱容大，人體在海水中散發(fā)的熱量遠(yuǎn)超過產(chǎn)生的熱量，造成人體失溫昏迷。當(dāng)海船發(fā)生險(xiǎn)情，海員和乘客在海水中的生存能力非常有限。

一、 海水浸漬的危險(xiǎn)性

1、 海水浸漬人體反應(yīng)

因?yàn)槿梭w失溫模擬實(shí)驗(yàn)只能借助狗、豬、羊等恒溫動物模擬，而動物模擬實(shí)驗(yàn)又會因?yàn)閯游锬秃阅懿煌兴煌?。所以借助于FLUENT模擬軟件模擬，能夠取得非常好的數(shù)據(jù)，模擬吻合度較高。

在一般情況下，水溫低于15攝氏度時(shí)，落水死亡的危險(xiǎn)性將大大增加。在15℃左右的海水里，一般人員會在15-25分鐘內(nèi)低溫昏迷，1小時(shí)以上就會有生命危險(xiǎn)。在沒有有效保暖措施情況下，即使是在炎熱的夏天，萬一發(fā)生海難事故，人體失溫昏迷也是在所難免。

2、傳統(tǒng)救生衣

救生衣又稱救生背心，其設(shè)計(jì)類似背心，采用浮力材料或可充氣的材料制成。一般使用年限為5-7年，是船上、飛機(jī)上的救生設(shè)備之一。一般為背心式救生衣穿在身上具有足夠浮力?，F(xiàn)有的救生衣結(jié)構(gòu)和功能都過于簡單，人員在落水時(shí)僅依靠救生衣浮在水面上，由于水體溫度較低容易造成落水人員體溫降低，對落水人員的生命健康造成威脅，影響落水人員的獲救率。

二、人體失溫模擬數(shù)字仿真

2.1 傳熱模型的建立

救生衣散熱考慮因素：海水（傳導(dǎo)），空氣（對流），和對人體（傳導(dǎo)）。人體散熱考慮因素：空氣（對流），海水（傳導(dǎo)）。

本熱傳導(dǎo)模型只考慮熱傳導(dǎo)的傳熱過程。將人體近似看作圓柱體模型，利用前處理軟件GAMBIT進(jìn)行“有限體積”網(wǎng)格劃分，（如圖1）再利用商用軟件FLUENT對海水浸泡下人體熱量散失的流場和溫度場進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2能量方程

以上A1能量方程中，為有效導(dǎo)熱率（，其中，為湍流引致的導(dǎo)熱率，由模型中使用的湍流模型確定）。為組分的擴(kuò)散通量。方程A1中：

其中，顯焓的定義（對不可壓流體）：

方程A3中，為組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

其中為298.15K。

化學(xué)反應(yīng)引起的傳熱源項(xiàng)

方程A1中的能量源項(xiàng)包含化學(xué)反應(yīng)帶來的熱量;

其中，為組分的生成焓，為組分的體積釋熱率。

有關(guān)傳熱的輸入項(xiàng)

激活傳熱計(jì)算，在Energy panel面板中激活Energy Equation選項(xiàng)。Define Models Energy...

在流動入口、出口以及壁面定義熱邊界條件

Define Boundary Conditions...

在入口、出口邊界用戶應(yīng)設(shè)定溫度條件;在壁面，用戶可以設(shè)定如下的熱邊界條件：設(shè)定熱流、設(shè)定溫度、對流傳熱條件

入口的缺省熱邊界條件為溫度=300K;壁面的缺省熱邊界條件為熱流=0（即壁面絕熱）。

定義介質(zhì)的熱參數(shù)

Define Materials...

定義介質(zhì)的比熱和導(dǎo)熱率，并且可以把很多參數(shù)設(shè)定為溫度的函數(shù)。

溫度的高限與低限值

出于計(jì)算穩(wěn)定性的考慮，F(xiàn)LUENT對溫度的計(jì)算范圍加以限制。設(shè)定溫度的高低限是為了提高計(jì)算的穩(wěn)定性，因?yàn)槲锢砩险鎸?shí)的溫度應(yīng)該處于某個(gè)確定的溫度范圍之內(nèi)。

模擬分離的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳熱

傳熱計(jì)算域涉及到由固體區(qū)域或某個(gè)壁面分開的兩個(gè)流動區(qū)域（如圖4所示），那么，就需要設(shè)定此計(jì)算模型：FLUID 1為救生衣內(nèi)部的空氣，F(xiàn)LUID2為海水，這里以1.5%NaCl溶液近似模擬。

l在任一個(gè)流動區(qū)域都不能使用outflow邊界條件

l通過對每個(gè)計(jì)算域設(shè)定不同的流體介質(zhì)，用戶可以創(chuàng)建單獨(dú)的流體介質(zhì)屬性。這里的流體介質(zhì)為海水。以1%的NaCl水溶液模擬。

2.3傳熱變量的輸出與顯示

對于傳熱過程，F(xiàn)LUENT提供幾種輸出選項(xiàng)?？梢陨扇缦碌膱D形或輸出變量/函數(shù)：溫度、總溫（滯止溫度）、相對滯止溫度、壁面溫度（救生衣外表面）、壁面溫度（救生衣內(nèi)表面）、總能、內(nèi)能、表面總熱流密度、表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等。

穿過邊界的熱流量（熱通量）的輸出

使用面板來計(jì)算求解域中每個(gè)邊界的傳熱量，或者是對所有邊界的傳熱量求和以檢查熱量的平衡。

Report Fluxes... 進(jìn)行熱平衡的檢查以確保計(jì)算結(jié)果達(dá)到真實(shí)收斂狀態(tài)。

穿過表面的熱流通量的輸出

使用Surface Integrals panel面板來計(jì)算穿過任一邊界或表面熱流通量。

Report Surface Integrals...

2.4 熱流數(shù)據(jù)的輸出

把壁面區(qū)域（包括輻射體）的熱流數(shù)據(jù)輸出到文件中，然后就可以進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)的檢查或在在其它程序中使用。為了存貯熱流數(shù)據(jù)文件，使用custom-heat-flux命令行。

file export custom-heat-flux

選定的區(qū)域（面區(qū)域，face zone）熱流數(shù)據(jù)文件的輸出格式為：

zone-name nfaces

每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)以區(qū)域名稱（zone-name）開始，然后是在此區(qū)域包含的面的總數(shù)（nfaces）。接下來是每一個(gè)面的相關(guān)數(shù)據(jù)（共有nfaces行），每行數(shù)據(jù)包含面的幾何中心坐標(biāo)（x_f， y_f， and， 三維時(shí)還包含， z_f）、面的面積（A））、包擴(kuò)輻射傳熱的總熱流量（Q）、面的溫度（T_w）以及相鄰單元的溫度（T_c）。

三、石墨烯發(fā)熱保暖救生衣的設(shè)計(jì)

根據(jù)FLUENT模擬海水浸泡散熱模型計(jì)算得到的熱量散失數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)一種石墨烯發(fā)熱保暖救生衣。救生衣本體的內(nèi)部固定連接有與人體貼合的襯里，襯里設(shè)置有保溫層、隔熱層、加熱層，加熱層的內(nèi)部設(shè)置有控制盒、若干石墨烯加熱片以及連接控制盒和若干石墨烯加熱片導(dǎo)線，控制盒與若干石墨烯加熱片電性連接;救生衣本體底部的四周均勻固定安裝有若干氣囊，若干氣囊通過多通管連通;救生衣本體的前胸處對稱固定安裝有兩個(gè)第一收容袋，第一收容袋的內(nèi)部放置后救生漿，救生漿上固定安裝有兩根彈性帶。救生衣本體的內(nèi)部固定連接有與人體貼合的襯里，襯里的加熱層的內(nèi)部設(shè)置有石墨烯加熱片，若干石墨烯加熱片對人體的各部位進(jìn)行供暖，防止人體落水后體溫降低。

石墨烯發(fā)熱保暖救生衣發(fā)熱比較平穩(wěn)，發(fā)熱時(shí)間長使用效果好。這樣將大大降低人體海水浸泡發(fā)生的危險(xiǎn)性。

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朱建梁（1972.7-），男，漢族，浙江余姚人，職業(yè)教育學(xué)碩士，助理研究員，從事職業(yè)教育、教育管理研究;

陳統(tǒng)銷（1963.5—），男，講師，主要從事航海教育和海上求生工作。

田花蔓（1990.11-），女，漢族，湖北仙桃人，圖書館學(xué)碩士，館員，從事文獻(xiàn)檢索研究。

課題：浙江省教育廳研究項(xiàng)目

項(xiàng)目名稱：海船制熱可控型保暖救生衣，研究項(xiàng)目，編號Y201225868