本發(fā)明涉及公共安全人體防護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種cfd(computationalfluiddynamics，計(jì)算流體動力學(xué)分析)與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)及耦合方法。

背景技術(shù)：

高溫環(huán)境可能導(dǎo)致人體燒傷，甚至危及生命安全。利用cfd仿真的可擴(kuò)展性和環(huán)境溫度設(shè)置的靈活性，將人體熱反應(yīng)模型與數(shù)值假人耦合在cfd平臺實(shí)現(xiàn)仿真模擬，并用于高溫環(huán)境人體熱生理參數(shù)預(yù)測、防護(hù)服性能測試和人員安全評估等，為降低熱應(yīng)激水平、提升救援效率、保障消防員的生命安全提供技術(shù)支撐。

皮膚溫度是最為重要的人體熱生理參數(shù)之一，廣泛用于人體熱舒適性及熱應(yīng)激評估。較人體熱生理高溫實(shí)驗(yàn)而言，cfd耦合系統(tǒng)可充分發(fā)揮虛擬環(huán)境參數(shù)限制少的優(yōu)點(diǎn)，可輕易設(shè)置環(huán)境工況，且克服了人體實(shí)驗(yàn)的個(gè)體差異性及高溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。相關(guān)技術(shù)中，如基于暖體假人的高溫防護(hù)服測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(，較假人耦合系統(tǒng)而言，cfd耦合系統(tǒng)避免了假人在高溫環(huán)境出現(xiàn)皮膚溫度過熱的技術(shù)局限性。因此，cfd耦合系統(tǒng)在高溫環(huán)境更具針對性，成為高溫環(huán)境人體熱反應(yīng)參數(shù)預(yù)測、人體熱舒適性及人體熱應(yīng)激評估的重要工具。

然而，人體熱生理反應(yīng)和熱舒適性受環(huán)境條件及人體部位差異的影響較大，即使在相同的環(huán)境條件下人體各部位的皮膚溫度和熱舒適性也會表現(xiàn)出一定的差異性。因此，人體熱反應(yīng)不僅局限于人的整體，而應(yīng)該細(xì)化到人體各部位，相關(guān)技術(shù)有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以解決高溫環(huán)境下人體熱生理參數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測的需求，為人員熱生理參數(shù)預(yù)測提供理論依據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面實(shí)施例提出了一種cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)，包括：人體熱反應(yīng)模型，用于將人體按生理結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)區(qū)塊，利用人體－服裝－環(huán)境參數(shù)模擬人體各區(qū)塊在不同環(huán)境條件下熱生理反應(yīng)的變化；數(shù)值假人，所述數(shù)值假人為將暖體假人經(jīng)激光掃描后得到的三維人體幾何形狀，并且在嵌入計(jì)算流體動力學(xué)分析cfd后用于計(jì)算人體與環(huán)境之間的換熱量；人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊，用于通過所述人體熱反應(yīng)模型和所述數(shù)值假人進(jìn)行耦合，其中，所述人體熱反應(yīng)模型通過人體-服裝-環(huán)境參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到人體各部位皮膚溫度，以將得到的溫度值作為所述數(shù)值假人的邊界值，從而在所述cfd中設(shè)置環(huán)境工況并按所述邊界值運(yùn)行，以獲取所述數(shù)值假人與環(huán)境的換熱量，并且將所述換熱量回代到所述人體熱反應(yīng)模型中，由所述人體熱反應(yīng)模型計(jì)算得到皮膚溫度值，重復(fù)迭代計(jì)算過程，以得到不同時(shí)間人體熱交換與熱生理反應(yīng)的變化情況。

本發(fā)明實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)，通過設(shè)置環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)速等參數(shù)并輸入到建立的系統(tǒng)，計(jì)算得到人體與環(huán)境實(shí)時(shí)的熱交換量，包括對流、輻射及傳導(dǎo)換熱；人體熱反應(yīng)模型可模擬人體熱生理調(diào)節(jié)過程，得到人體不同區(qū)塊的皮膚溫度及出汗率等；將數(shù)值假人與人體熱反應(yīng)模型耦合可得不同環(huán)境條件下人體各區(qū)塊的熱生理參數(shù)，如皮膚溫度、核心溫度、出汗率及人體與環(huán)境的換熱量等；解決了高溫環(huán)境下人體熱生理參數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測的需求，為人員熱生理參數(shù)預(yù)測提供理論依據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述人體熱反應(yīng)模型具體用于根據(jù)所述生理結(jié)構(gòu)將人體劃分為所述多個(gè)區(qū)塊，并且所述多個(gè)區(qū)塊的每個(gè)區(qū)塊分為多層，通過對所述每個(gè)區(qū)塊的各層構(gòu)建熱平衡方程，以計(jì)算人體體內(nèi)及人體與環(huán)境之間熱濕傳遞過程，且考慮人體通過神經(jīng)中樞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱生理調(diào)節(jié)與控制的過程，通過數(shù)值模擬求得不同人體-服裝-環(huán)境參數(shù)下人體熱反應(yīng)的變化情況。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)值假人具體用于利用icem軟件根據(jù)暖體假人的生理結(jié)構(gòu)，將三維人體幾何形狀構(gòu)劃分為多塊，并且將分塊后的數(shù)值假人置于虛擬的人工氣候室內(nèi)，并且通過所述icem軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將所述虛擬的人工氣候室及所述數(shù)值假人劃分為四面體及棱柱網(wǎng)格，將所述人體熱反應(yīng)模型的輸出值作為所述數(shù)值假人的邊界條件，由ansys軟件進(jìn)行仿真模擬，以得到人體與環(huán)境的換熱量、換熱系數(shù)和人體熱生理反應(yīng)參數(shù)。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述人體熱反應(yīng)模型建立的過程包括：將人體根據(jù)假人劃分為20個(gè)區(qū)塊；將所述20個(gè)區(qū)塊的每個(gè)區(qū)塊根據(jù)生理結(jié)構(gòu)細(xì)分為皮膚層、肌肉層、脂肪層及核心層。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，人體各部位及各層的熱平衡方程如下：

其中，i為人體的20個(gè)區(qū)塊，j為每個(gè)分塊的四層，c為人體各節(jié)點(diǎn)熱容，t為人體各區(qū)塊及各層的溫度，t為人體暴露于環(huán)境的時(shí)間，q為人體產(chǎn)熱量，b為人體的血液換熱量，d為人體同一部位內(nèi)不同層之間傳導(dǎo)熱交換，res為呼吸傳熱量，rad、con和eva分別為人體與環(huán)境之間的輻射、對流及蒸發(fā)換熱量。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述數(shù)值假人還用于三維激光掃描技術(shù)對所述暖體假人進(jìn)行掃描，以得到所述暖體假人的幾何模型，其中，掃描后的假人只具備人體整體的三維幾何形狀，從而利用所述icem軟件對掃描得到的三維數(shù)值人體幾何模型進(jìn)行區(qū)塊劃分，進(jìn)而設(shè)置所述氣候室，以計(jì)算數(shù)值假人與外界環(huán)境的熱量交換。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊還用于輸出計(jì)算結(jié)果。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述計(jì)算結(jié)果包括核心溫度、皮膚溫度和出汗量中的一種或多種。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明另一方面實(shí)施例提出了一種cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法，包括以下步驟：人體熱反應(yīng)模型通過人體-服裝-環(huán)境參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以得到人體各部位皮膚溫度；根據(jù)所述人體各部位皮膚溫度計(jì)算所得溫度值作為數(shù)值假人的邊界值，以在cfd中設(shè)置環(huán)境工況并按所述邊界值運(yùn)行，進(jìn)而獲取所述數(shù)值假人與環(huán)境的換熱量；將所述換熱量回代到所述人體熱反應(yīng)模型中，以計(jì)算得到皮膚溫度值；重復(fù)迭代計(jì)算過程，以得到不同時(shí)間人體熱交換與熱生理反應(yīng)的變化情況。

本發(fā)明實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法，通過設(shè)置環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)速等參數(shù)并輸入到建立的系統(tǒng)，計(jì)算得到人體與環(huán)境實(shí)時(shí)的熱交換量，包括對流、輻射及傳導(dǎo)換熱；人體熱反應(yīng)模型可模擬人體熱生理調(diào)節(jié)過程，得到人體不同區(qū)塊的皮膚溫度及出汗率等；將數(shù)值假人與人體熱反應(yīng)模型耦合可得不同環(huán)境條件下人體各區(qū)塊的熱生理參數(shù)，如皮膚溫度、核心溫度、出汗率及人體與環(huán)境的換熱量等；解決了高溫環(huán)境下人體熱生理參數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測的需求，為人員熱生理參數(shù)預(yù)測提供理論依據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法還可以具有以下附加的技術(shù)特征：

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括：輸出計(jì)算結(jié)果，其中，所述計(jì)算結(jié)果包括核心溫度、皮膚溫度和出汗量中的一種或多種。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的人體熱生理參數(shù)模塊輸出的皮膚溫度示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合放的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

下面參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)及耦合方法，首先將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)。

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，該cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)包括：人體熱反應(yīng)模型100、數(shù)值假人200和人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊300。

其中，人體熱反應(yīng)模型100用于將人體按生理結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)區(qū)塊，利用人體－服裝－環(huán)境參數(shù)模擬人體各區(qū)塊在不同環(huán)境條件下熱生理反應(yīng)的變化。數(shù)值假人200為將暖體假人經(jīng)激光掃描后得到的三維人體幾何形狀，并且在嵌入計(jì)算流體動力學(xué)分析cfd后用于計(jì)算人體與環(huán)境之間的換熱量；人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊300用于通過人體熱反應(yīng)模型100和數(shù)值假人200進(jìn)行耦合，其中，人體熱反應(yīng)模型100通過人體-服裝-環(huán)境參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到人體各部位皮膚溫度，以將得到的溫度值作為數(shù)值假人200的邊界值，從而在cfd中設(shè)置環(huán)境工況并按邊界值運(yùn)行，以獲取數(shù)值假人200與環(huán)境的換熱量，并且將換熱量回代到人體熱反應(yīng)模型100中，由人體熱反應(yīng)模型100計(jì)算得到皮膚溫度值，重復(fù)迭代計(jì)算過程，以得到不同時(shí)間人體熱交換與熱生理反應(yīng)的變化情況。本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)不僅關(guān)注人整體的熱反應(yīng)，也關(guān)注人體各部位的熱反應(yīng)變化情況，解決了高溫環(huán)境下人體熱生理參數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測的需求，為人員熱生理參數(shù)預(yù)測提供理論依據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，人體熱反應(yīng)模型100具體用于根據(jù)生理結(jié)構(gòu)將人體劃分為多個(gè)區(qū)塊，并且多個(gè)區(qū)塊的每個(gè)區(qū)塊分為多層，通過對每個(gè)區(qū)塊的各層構(gòu)建熱平衡方程，以計(jì)算人體體內(nèi)及人體與環(huán)境之間熱濕傳遞過程，且考慮人體通過神經(jīng)中樞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱生理調(diào)節(jié)與控制的過程，通過數(shù)值模擬求得不同人體-服裝-環(huán)境參數(shù)下人體熱反應(yīng)的變化情況。

可以理解的是，人體熱反應(yīng)模型100按生理結(jié)構(gòu)將人體劃分為20個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊分為4層；通過對每個(gè)區(qū)塊的各層構(gòu)建熱平衡方程，計(jì)算人體體內(nèi)及人體與環(huán)境之間熱濕傳遞過程，且考慮人體通過神經(jīng)中樞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱生理調(diào)節(jié)與控制的過程，如顫抖、出汗、血管舒張與收縮；通過數(shù)值模擬求得不同人體-服裝-環(huán)境參數(shù)下人體熱反應(yīng)的變化情況。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)值假人200具體用于利用icem軟件根據(jù)暖體假人的生理結(jié)構(gòu)，將三維人體幾何形狀構(gòu)劃分為多塊，并且將分塊后的數(shù)值假人200置于虛擬的人工氣候室內(nèi)，并且通過icem軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將虛擬的人工氣候室及數(shù)值假人200劃分為四面體及棱柱網(wǎng)格，將人體熱反應(yīng)模型100的輸出值作為數(shù)值假人200的邊界條件，由ansys軟件進(jìn)行仿真模擬，以得到人體與環(huán)境的換熱量、換熱系數(shù)和人體熱生理反應(yīng)參數(shù)。

可以理解的是，將暖體假人經(jīng)激光掃描后，得到三維人體幾何形狀；利用icem軟件按暖體假人的生理結(jié)構(gòu)，將三維人體幾何形狀構(gòu)劃分為20塊；將分塊后的數(shù)值假人200置于虛擬的人工氣候室內(nèi)；用icem軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將虛擬氣候室及假人劃分為四面體及棱柱網(wǎng)格；將人體熱反應(yīng)模型100的輸出值作為數(shù)值假人200的邊界條件，由ansys軟件進(jìn)行仿真模擬，得到人體與環(huán)境的換熱量、換熱系數(shù)和人體熱生理反應(yīng)參數(shù)等。

具體地，人體熱反應(yīng)模型100通過人體-服裝-環(huán)境等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到人體各部位皮膚溫度，計(jì)算所得溫度值作為數(shù)值假人的邊界值；在cfd中設(shè)置環(huán)境工況并按上述邊界條件運(yùn)行，計(jì)算可得數(shù)值假人200與環(huán)境的換熱量；將此換熱量回代到人體熱反應(yīng)模型100中，由模型計(jì)算可得皮膚溫度值；重復(fù)上述過程實(shí)現(xiàn)迭代計(jì)算，從而得到不同時(shí)間人體熱交換與熱生理反應(yīng)的變化情況，實(shí)現(xiàn)了cfd耦合系統(tǒng)仿真模擬。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，人體熱反應(yīng)模型100建立的過程包括：將人體根據(jù)假人劃分為20個(gè)區(qū)塊；將20個(gè)區(qū)塊的每個(gè)區(qū)塊根據(jù)生理結(jié)構(gòu)細(xì)分為皮膚層、肌肉層、脂肪層及核心層。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，人體各部位及各層的熱平衡方程如下：

其中，i為人體的20個(gè)區(qū)塊，j為每個(gè)分塊的四層，c為人體各節(jié)點(diǎn)熱容，t為人體各區(qū)塊及各層的溫度，t為人體暴露于環(huán)境的時(shí)間，q為人體產(chǎn)熱量，b為人體的血液換熱量，d為人體同一部位內(nèi)不同層之間傳導(dǎo)熱交換，res為呼吸傳熱量，rad、con和eva分別為人體與環(huán)境之間的輻射、對流及蒸發(fā)換熱量。

具體而言，人體熱反應(yīng)模型100建立的過程包括：將人體根據(jù)假人劃分為20個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊根據(jù)生理結(jié)構(gòu)細(xì)分為皮膚層、肌肉層、脂肪層及核心層。人體各部位及各層的熱平衡方程如下：

公式中，i代表人體的20個(gè)區(qū)塊；j代表每個(gè)分塊的四層；c為人體各節(jié)點(diǎn)熱容，wh/℃；t為人體各區(qū)塊及各層的溫度，℃；t為人體暴露于環(huán)境的時(shí)間，h；q為人體產(chǎn)熱量，w；b為人體的血液換熱量，w；d為人體同一部位內(nèi)不同層之間傳導(dǎo)熱交換，w；res為呼吸傳熱量，w；rad,con,及eva分別為人體與環(huán)境之間的輻射、對流及蒸發(fā)換熱量，w。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，數(shù)值假人200還用于三維激光掃描技術(shù)對暖體假人進(jìn)行掃描，以得到暖體假人的幾何模型，其中，掃描后的假人只具備人體整體的三維幾何形狀，從而利用icem軟件對掃描得到的三維數(shù)值人體幾何模型進(jìn)行區(qū)塊劃分，進(jìn)而設(shè)置氣候室，以計(jì)算數(shù)值假人與外界環(huán)境的熱量交換。

也就是說，用三維激光掃描技術(shù)對暖體假人進(jìn)行掃描，得到暖體假人的幾何模型。掃描后的假人只具備人體整體的三維幾何形狀，無法得到人體各部位信息。利用icem軟件對掃描得到的三維數(shù)值人體幾何模型進(jìn)行區(qū)塊劃分，將其按假人劃分為20個(gè)部位。數(shù)值假人200進(jìn)行區(qū)塊劃分之后，需設(shè)置數(shù)值氣候室，從而計(jì)算數(shù)值假人與外界環(huán)境的熱量交換。

需要說明的是，數(shù)值假人200采取四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且在數(shù)值假人200表面設(shè)置多層棱柱網(wǎng)格，從而確保流場的穩(wěn)定性。

另外，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊還用于輸出計(jì)算結(jié)果。

其中，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，計(jì)算結(jié)果包括核心溫度、皮膚溫度和出汗量中的一種或多種。

可以理解的是，人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊300的計(jì)算結(jié)果輸出，包括核心溫度、皮膚溫度及出汗量等，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)人體熱舒適性及熱應(yīng)激的評估。

舉例而言，在本發(fā)明的實(shí)施例中，數(shù)值假人200由三維激光掃描技術(shù)得到，嵌入cfd后可計(jì)算人體與環(huán)境之間的換熱量；人體熱反應(yīng)模型100將人體按生理結(jié)構(gòu)劃分為20區(qū)塊，利用人體－服裝－環(huán)境參數(shù)模擬人體各區(qū)塊在不同環(huán)境條件下熱生理反應(yīng)的變化；cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法，將數(shù)值假人200較精確計(jì)算換熱量與人體熱反應(yīng)模型100較精確模擬人體主動調(diào)節(jié)的優(yōu)勢結(jié)合起來。本發(fā)明實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型100的耦合系統(tǒng)可通過環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速及人體代謝產(chǎn)熱等參數(shù)計(jì)算人體熱生理參數(shù)變化及人體與環(huán)境之間的換熱量；建立了適用于高溫環(huán)境的人體熱生理參數(shù)評價(jià)系統(tǒng)與方法，解決了高溫環(huán)境人體熱生理參數(shù)準(zhǔn)確預(yù)測的需求。

其中，人體熱反應(yīng)模型100通過人體-服裝-環(huán)境等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到人體各部位皮膚溫度，計(jì)算所得溫度值作為數(shù)值假人的邊界值；在cfd中設(shè)置環(huán)境工況并按上述邊界條件運(yùn)行，計(jì)算可得數(shù)值假人200與環(huán)境的換熱量；將此換熱量回代到人體熱反應(yīng)模型100中，由模型計(jì)算可得皮膚溫度值；重復(fù)上述過程實(shí)現(xiàn)迭代計(jì)算，從而得到不同時(shí)間人體熱交換與熱生理反應(yīng)的變化情況，實(shí)現(xiàn)了cfd耦合系統(tǒng)仿真模擬。

下面結(jié)合附圖1和附圖2以一個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的耦合系統(tǒng)包括人體熱反應(yīng)模型100、數(shù)值假人200和人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊300。

其中，人體熱反應(yīng)模型100的建立過程包括：

將人體根據(jù)假人劃分為20個(gè)區(qū)塊，包括臉；頭；左、右上臂；左、右下臂；左、右手；胸；肩；腹；背；左、右臀；左、右大腿；左、右小腿；左、右腳。每個(gè)區(qū)塊根據(jù)生理結(jié)構(gòu)細(xì)分為皮膚層、肌肉層、脂肪層及核心層。人體各部位及各層的熱平衡方程如下：

公式中，i代表人體的20個(gè)區(qū)塊；j代表每個(gè)分塊的四層；c為人體各節(jié)點(diǎn)熱容，wh/℃；t為人體各區(qū)塊及各層的溫度，℃；t為人體暴露于環(huán)境的時(shí)間，h；q為人體產(chǎn)熱量，w；b為人體的血液換熱量，w；d為人體同一部位內(nèi)不同層之間傳導(dǎo)熱交換，w；res為呼吸傳熱量，w；rad,con,及eva分別為人體與環(huán)境之間的輻射、對流及蒸發(fā)換熱量，w。

進(jìn)一步地，出汗暖體假人與模型的耦合方法：

根據(jù)人體-服裝-環(huán)境參數(shù)，利用人體熱反應(yīng)模型100求出皮膚溫度作為數(shù)值假人200的邊界條件。當(dāng)數(shù)值假人200在設(shè)置的環(huán)境條件達(dá)到熱平衡時(shí)，記錄此時(shí)假人各部位的換熱量。將記錄的換熱量作為人體熱反應(yīng)模型100的輸入值，由模型計(jì)算出皮膚溫度和出汗量，重復(fù)以上迭代過程實(shí)現(xiàn)耦合模擬。

進(jìn)一步地，人體熱生理參數(shù)預(yù)測模塊300：

可將cfd與模型耦合系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果輸出，如核心溫度、平均皮膚溫度、及局部皮膚溫度、出汗量、及人體與環(huán)境的換熱量等，在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)人體熱舒適性及熱應(yīng)激的評估。

例如，cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)需要設(shè)置環(huán)境的溫度、濕度及風(fēng)速，本發(fā)明實(shí)施例模擬的工作環(huán)境房間大小為3m×5m×2.7m，房間溫度為45℃，濕度為50％，風(fēng)速為0.06m/s。利用如1所示的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)置的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速，可得人體皮膚溫度，如圖2所示。

其中，進(jìn)入設(shè)置的熱環(huán)境后，人體溫度明顯低于環(huán)境溫度，此時(shí)人體從環(huán)境吸收大量熱量，人體輻射與對流換熱量均已變?yōu)樨?fù)數(shù)，且蒸發(fā)成為人體向環(huán)境散熱的唯一方式，總體來說，頭部溫度最高，背部和胸部溫度較低，差值可達(dá)1.7℃。在相同的環(huán)境條件下，人體不同部位的出汗量差異較大，背部和胸部出汗量較大，在高溫度環(huán)境向環(huán)境散失熱量較多，達(dá)到降低體溫度的目的。本發(fā)明實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)可用于整個(gè)人體，也可用于人體各部位，并且適用于非均勻環(huán)境人體各部位熱舒適性及熱應(yīng)激評估。較假人耦合系統(tǒng)而言，cfd耦合系統(tǒng)避免了假人在高溫環(huán)境出現(xiàn)皮膚溫度過熱的技術(shù)局限性。因此，cfd耦合系統(tǒng)在高溫環(huán)境更具針對性，成為高溫環(huán)境人體熱反應(yīng)參數(shù)預(yù)測、人體熱舒適性及人體熱應(yīng)激評估的重要工具。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)，通過設(shè)置環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)速等參數(shù)并輸入到建立的系統(tǒng)，計(jì)算得到人體與環(huán)境實(shí)時(shí)的熱交換量，包括對流、輻射及傳導(dǎo)換熱；人體熱反應(yīng)模型可模擬人體熱生理調(diào)節(jié)過程，得到人體不同區(qū)塊的皮膚溫度及出汗率等；將數(shù)值假人與人體熱反應(yīng)模型耦合可得不同環(huán)境條件下人體各區(qū)塊的熱生理參數(shù)，如皮膚溫度、核心溫度、出汗率及人體與環(huán)境的換熱量等；解決了高溫環(huán)境下人體熱生理參數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測的需求，為人員熱生理參數(shù)預(yù)測提供理論依據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。

其次參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法。

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法的流程圖。

如圖3所示，該cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法包括以下步驟：

在步驟s301中，人體熱反應(yīng)模型通過人體-服裝-環(huán)境參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以得到人體各部位皮膚溫度。

在步驟s302中，根據(jù)人體各部位皮膚溫度計(jì)算所得溫度值作為數(shù)值假人的邊界值，以在cfd中設(shè)置環(huán)境工況并按邊界值運(yùn)行，進(jìn)而獲取數(shù)值假人與環(huán)境的換熱量。

在步驟s303中，將換熱量回代到人體熱反應(yīng)模型中，以計(jì)算得到皮膚溫度值。

在步驟s304中，重復(fù)迭代計(jì)算過程，以得到不同時(shí)間人體熱交換與熱生理反應(yīng)的變化情況。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明實(shí)施例的方法還包括：輸出計(jì)算結(jié)果，其中，計(jì)算結(jié)果包括核心溫度、皮膚溫度和出汗量中的一種或多種。

需要說明的是，前述對cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合系統(tǒng)實(shí)施例的解釋說明也適用于該實(shí)施例的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法，此處不再贅述。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例提出的cfd與人體熱反應(yīng)模型的耦合方法，通過設(shè)置環(huán)境溫度、濕度及風(fēng)速等參數(shù)并輸入到建立的系統(tǒng)，計(jì)算得到人體與環(huán)境實(shí)時(shí)的熱交換量，包括對流、輻射及傳導(dǎo)換熱；人體熱反應(yīng)模型可模擬人體熱生理調(diào)節(jié)過程，得到人體不同區(qū)塊的皮膚溫度及出汗率等；將數(shù)值假人與人體熱反應(yīng)模型耦合可得不同環(huán)境條件下人體各區(qū)塊的熱生理參數(shù)，如皮膚溫度、核心溫度、出汗率及人體與環(huán)境的換熱量等；解決了高溫環(huán)境下人體熱生理參數(shù)的實(shí)時(shí)預(yù)測的需求，為人員熱生理參數(shù)預(yù)測提供理論依據(jù)，最終達(dá)到保護(hù)人員安全的目的。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時(shí)針”、“逆時(shí)針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不必須針對的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。