CFD与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法

摘要

本发明公开了一种CFD与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法，其中，系统包括：人体热反应模型，利用人体－服装－环境参数模拟人体各区块在不同环境条件下热生理反应的变化；数值假人在嵌入计算流体动力学分析CFD后用于计算人体与环境之间的换热量；人体热生理参数预测模块，用于通过人体热反应模型和数值假人进行耦合。该系统不仅关注人整体的热反应，也关注人体各部位的热反应变化情况，解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及公共安全人体防护技术领域，特别涉及一种CFD(ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学分析)与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法。

背景技术

高温环境可能导致人体烧伤，甚至危及生命安全。利用CFD仿真的可扩展性和环境温度设置的灵活性，将人体热反应模型与数值假人耦合在CFD平台实现仿真模拟，并用于高温环境人体热生理参数预测、防护服性能测试和人员安全评估等，为降低热应激水平、提升救援效率、保障消防员的生命安全提供技术支撑。

皮肤温度是最为重要的人体热生理参数之一，广泛用于人体热舒适性及热应激评估。较人体热生理高温实验而言，CFD耦合系统可充分发挥虚拟环境参数限制少的优点，可轻易设置环境工况，且克服了人体实验的个体差异性及高温环境实验的危险性。相关技术中，如基于暖体假人的高温防护服测试实验系统(，较假人耦合系统而言，CFD耦合系统避免了假人在高温环境出现皮肤温度过热的技术局限性。因此，CFD耦合系统在高温环境更具针对性，成为高温环境人体热反应参数预测、人体热舒适性及人体热应激评估的重要工具。

然而，人体热生理反应和热舒适性受环境条件及人体部位差异的影响较大，即使在相同的环境条件下人体各部位的皮肤温度和热舒适性也会表现出一定的差异性。因此，人体热反应不仅局限于人的整体，而应该细化到人体各部位，相关技术有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种CFD与人体热反应模型的耦合系统，该系统可以解决高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

本发明的另一个目的在于提出一种CFD与人体热反应模型的耦合方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种CFD与人体热反应模型的耦合系统，包括：人体热反应模型，用于将人体按生理结构划分为多个区块，利用人体－服装－环境参数模拟人体各区块在不同环境条件下热生理反应的变化；数值假人，所述数值假人为将暖体假人经激光扫描后得到的三维人体几何形状，并且在嵌入计算流体动力学分析CFD后用于计算人体与环境之间的换热量；人体热生理参数预测模块，用于通过所述人体热反应模型和所述数值假人进行耦合，其中，所述人体热反应模型通过人体-服装-环境参数进行计算得到人体各部位皮肤温度，以将得到的温度值作为所述数值假人的边界值，从而在所述CFD中设置环境工况并按所述边界值运行，以获取所述数值假人与环境的换热量，并且将所述换热量回代到所述人体热反应模型中，由所述人体热反应模型计算得到皮肤温度值，重复迭代计算过程，以得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况。

本发明实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统，通过设置环境温度、湿度及风速等参数并输入到建立的系统，计算得到人体与环境实时的热交换量，包括对流、辐射及传导换热；人体热反应模型可模拟人体热生理调节过程，得到人体不同区块的皮肤温度及出汗率等；将数值假人与人体热反应模型耦合可得不同环境条件下人体各区块的热生理参数，如皮肤温度、核心温度、出汗率及人体与环境的换热量等；解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

另外，根据本发明上述实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述人体热反应模型具体用于根据所述生理结构将人体划分为所述多个区块，并且所述多个区块的每个区块分为多层，通过对所述每个区块的各层构建热平衡方程，以计算人体体内及人体与环境之间热湿传递过程，且考虑人体通过神经中枢系统实现热生理调节与控制的过程，通过数值模拟求得不同人体-服装-环境参数下人体热反应的变化情况。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数值假人具体用于利用ICEM软件根据暖体假人的生理结构，将三维人体几何形状构划分为多块，并且将分块后的数值假人置于虚拟的人工气候室内，并且通过所述ICEM软件进行网格划分，将所述虚拟的人工气候室及所述数值假人划分为四面体及棱柱网格，将所述人体热反应模型的输出值作为所述数值假人的边界条件，由ANSYS软件进行仿真模拟，以得到人体与环境的换热量、换热系数和人体热生理反应参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述人体热反应模型建立的过程包括：将人体根据假人划分为20个区块；将所述20个区块的每个区块根据生理结构细分为皮肤层、肌肉层、脂肪层及核心层。

进一步地，在本发明的一个实施例中，人体各部位及各层的热平衡方程如下：

其中，i为人体的20个区块，j为每个分块的四层，C为人体各节点热容，T为人体各区块及各层的温度，t为人体暴露于环境的时间，Q为人体产热量，B为人体的血液换热量，D为人体同一部位内不同层之间传导热交换，Res为呼吸传热量，Rad、Con和Eva分别为人体与环境之间的辐射、对流及蒸发换热量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数值假人还用于三维激光扫描技术对所述暖体假人进行扫描，以得到所述暖体假人的几何模型，其中，扫描后的假人只具备人体整体的三维几何形状，从而利用所述ICEM软件对扫描得到的三维数值人体几何模型进行区块划分，进而设置所述气候室，以计算数值假人与外界环境的热量交换。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述人体热生理参数预测模块还用于输出计算结果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算结果包括核心温度、皮肤温度和出汗量中的一种或多种。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种CFD与人体热反应模型的耦合方法，包括以下步骤：人体热反应模型通过人体-服装-环境参数进行计算，以得到人体各部位皮肤温度；根据所述人体各部位皮肤温度计算所得温度值作为数值假人的边界值，以在CFD中设置环境工况并按所述边界值运行，进而获取所述数值假人与环境的换热量；将所述换热量回代到所述人体热反应模型中，以计算得到皮肤温度值；重复迭代计算过程，以得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况。

本发明实施例的CFD与人体热反应模型的耦合方法，通过设置环境温度、湿度及风速等参数并输入到建立的系统，计算得到人体与环境实时的热交换量，包括对流、辐射及传导换热；人体热反应模型可模拟人体热生理调节过程，得到人体不同区块的皮肤温度及出汗率等；将数值假人与人体热反应模型耦合可得不同环境条件下人体各区块的热生理参数，如皮肤温度、核心温度、出汗率及人体与环境的换热量等；解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

另外，根据本发明上述实施例的CFD与人体热反应模型的耦合方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：输出计算结果，其中，所述计算结果包括核心温度、皮肤温度和出汗量中的一种或多种。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的人体热生理参数模块输出的皮肤温度示意图；

图3为根据本发明一个实施例的CFD与人体热反应模型的耦合放的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的CFD与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的CFD与人体热反应模型的耦合系统。

图1是本发明一个实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统的结构示意图。

如图1所示，该CFD与人体热反应模型的耦合系统包括：人体热反应模型100、数值假人200和人体热生理参数预测模块300。

其中，人体热反应模型100用于将人体按生理结构划分为多个区块，利用人体－服装－环境参数模拟人体各区块在不同环境条件下热生理反应的变化。数值假人200为将暖体假人经激光扫描后得到的三维人体几何形状，并且在嵌入计算流体动力学分析CFD后用于计算人体与环境之间的换热量；人体热生理参数预测模块300用于通过人体热反应模型100和数值假人200进行耦合，其中，人体热反应模型100通过人体-服装-环境参数进行计算得到人体各部位皮肤温度，以将得到的温度值作为数值假人200的边界值，从而在CFD中设置环境工况并按边界值运行，以获取数值假人200与环境的换热量，并且将换热量回代到人体热反应模型100中，由人体热反应模型100计算得到皮肤温度值，重复迭代计算过程，以得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况。本发明实施例的系统不仅关注人整体的热反应，也关注人体各部位的热反应变化情况，解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

进一步地，在本发明的一个实施例中，人体热反应模型100具体用于根据生理结构将人体划分为多个区块，并且多个区块的每个区块分为多层，通过对每个区块的各层构建热平衡方程，以计算人体体内及人体与环境之间热湿传递过程，且考虑人体通过神经中枢系统实现热生理调节与控制的过程，通过数值模拟求得不同人体-服装-环境参数下人体热反应的变化情况。

可以理解的是，人体热反应模型100按生理结构将人体划分为20个区块，每个区块分为4层；通过对每个区块的各层构建热平衡方程，计算人体体内及人体与环境之间热湿传递过程，且考虑人体通过神经中枢系统实现热生理调节与控制的过程，如颤抖、出汗、血管舒张与收缩；通过数值模拟求得不同人体-服装-环境参数下人体热反应的变化情况。

进一步地，在本发明的一个实施例中，数值假人200具体用于利用ICEM软件根据暖体假人的生理结构，将三维人体几何形状构划分为多块，并且将分块后的数值假人200置于虚拟的人工气候室内，并且通过ICEM软件进行网格划分，将虚拟的人工气候室及数值假人200划分为四面体及棱柱网格，将人体热反应模型100的输出值作为数值假人200的边界条件，由ANSYS软件进行仿真模拟，以得到人体与环境的换热量、换热系数和人体热生理反应参数。

可以理解的是，将暖体假人经激光扫描后，得到三维人体几何形状；利用ICEM软件按暖体假人的生理结构，将三维人体几何形状构划分为20块；将分块后的数值假人200置于虚拟的人工气候室内；用ICEM软件进行网格划分，将虚拟气候室及假人划分为四面体及棱柱网格；将人体热反应模型100的输出值作为数值假人200的边界条件，由ANSYS软件进行仿真模拟，得到人体与环境的换热量、换热系数和人体热生理反应参数等。

具体地，人体热反应模型100通过人体-服装-环境等参数进行计算，得到人体各部位皮肤温度，计算所得温度值作为数值假人的边界值；在CFD中设置环境工况并按上述边界条件运行，计算可得数值假人200与环境的换热量；将此换热量回代到人体热反应模型100中，由模型计算可得皮肤温度值；重复上述过程实现迭代计算，从而得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况，实现了CFD耦合系统仿真模拟。

进一步地，在本发明的一个实施例中，人体热反应模型100建立的过程包括：将人体根据假人划分为20个区块；将20个区块的每个区块根据生理结构细分为皮肤层、肌肉层、脂肪层及核心层。

进一步地，在本发明的一个实施例中，人体各部位及各层的热平衡方程如下：

其中，i为人体的20个区块，j为每个分块的四层，C为人体各节点热容，T为人体各区块及各层的温度，t为人体暴露于环境的时间，Q为人体产热量，B为人体的血液换热量，D为人体同一部位内不同层之间传导热交换，Res为呼吸传热量，Rad、Con和Eva分别为人体与环境之间的辐射、对流及蒸发换热量。

具体而言，人体热反应模型100建立的过程包括：将人体根据假人划分为20个区块，每个区块根据生理结构细分为皮肤层、肌肉层、脂肪层及核心层。人体各部位及各层的热平衡方程如下：

公式中，i代表人体的20个区块；j代表每个分块的四层；C为人体各节点热容，W h/℃；T为人体各区块及各层的温度，℃；t为人体暴露于环境的时间，h；Q为人体产热量，W；B为人体的血液换热量，W；D为人体同一部位内不同层之间传导热交换，W；Res为呼吸传热量，W；Rad,Con,及Eva分别为人体与环境之间的辐射、对流及蒸发换热量，W。

进一步地，在本发明的一个实施例中，数值假人200还用于三维激光扫描技术对暖体假人进行扫描，以得到暖体假人的几何模型，其中，扫描后的假人只具备人体整体的三维几何形状，从而利用ICEM软件对扫描得到的三维数值人体几何模型进行区块划分，进而设置气候室，以计算数值假人与外界环境的热量交换。

也就是说，用三维激光扫描技术对暖体假人进行扫描，得到暖体假人的几何模型。扫描后的假人只具备人体整体的三维几何形状，无法得到人体各部位信息。利用ICEM软件对扫描得到的三维数值人体几何模型进行区块划分，将其按假人划分为20个部位。数值假人200进行区块划分之后，需设置数值气候室，从而计算数值假人与外界环境的热量交换。

需要说明的是，数值假人200采取四面体进行网格划分，并且在数值假人200表面设置多层棱柱网格，从而确保流场的稳定性。

另外，在本发明的一个实施例中，人体热生理参数预测模块还用于输出计算结果。

其中，在本发明的一个实施例中，计算结果包括核心温度、皮肤温度和出汗量中的一种或多种。

可以理解的是，人体热生理参数预测模块300的计算结果输出，包括核心温度、皮肤温度及出汗量等，在此基础上可实现人体热舒适性及热应激的评估。

举例而言，在本发明的实施例中，数值假人200由三维激光扫描技术得到，嵌入CFD后可计算人体与环境之间的换热量；人体热反应模型100将人体按生理结构划分为20区块，利用人体－服装－环境参数模拟人体各区块在不同环境条件下热生理反应的变化；CFD与人体热反应模型的耦合方法，将数值假人200较精确计算换热量与人体热反应模型100较精确模拟人体主动调节的优势结合起来。本发明实施例的CFD与人体热反应模型100的耦合系统可通过环境温度、湿度、风速及人体代谢产热等参数计算人体热生理参数变化及人体与环境之间的换热量；建立了适用于高温环境的人体热生理参数评价系统与方法，解决了高温环境人体热生理参数准确预测的需求。

其中，人体热反应模型100通过人体-服装-环境等参数进行计算，得到人体各部位皮肤温度，计算所得温度值作为数值假人的边界值；在CFD中设置环境工况并按上述边界条件运行，计算可得数值假人200与环境的换热量；将此换热量回代到人体热反应模型100中，由模型计算可得皮肤温度值；重复上述过程实现迭代计算，从而得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况，实现了CFD耦合系统仿真模拟。

下面结合附图1和附图2以一个具体实施例进行详细介绍。

在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，本发明实施例的耦合系统包括人体热反应模型100、数值假人200和人体热生理参数预测模块300。

其中，人体热反应模型100的建立过程包括：

将人体根据假人划分为20个区块，包括脸；头；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、右脚。每个区块根据生理结构细分为皮肤层、肌肉层、脂肪层及核心层。人体各部位及各层的热平衡方程如下：

公式中，i代表人体的20个区块；j代表每个分块的四层；C为人体各节点热容，W h/℃；T为人体各区块及各层的温度，℃；t为人体暴露于环境的时间，h；Q为人体产热量，W；B为人体的血液换热量，W；D为人体同一部位内不同层之间传导热交换，W；Res为呼吸传热量，W；Rad,Con,及Eva分别为人体与环境之间的辐射、对流及蒸发换热量，W。

进一步地，出汗暖体假人与模型的耦合方法：

根据人体-服装-环境参数，利用人体热反应模型100求出皮肤温度作为数值假人200的边界条件。当数值假人200在设置的环境条件达到热平衡时，记录此时假人各部位的换热量。将记录的换热量作为人体热反应模型100的输入值，由模型计算出皮肤温度和出汗量，重复以上迭代过程实现耦合模拟。

进一步地，人体热生理参数预测模块300：

可将CFD与模型耦合系统的计算结果输出，如核心温度、平均皮肤温度、及局部皮肤温度、出汗量、及人体与环境的换热量等，在此基础上可实现人体热舒适性及热应激的评估。

例如，CFD与人体热反应模型的耦合系统需要设置环境的温度、湿度及风速，本发明实施例模拟的工作环境房间大小为3m×5m×2.7m，房间温度为45℃，湿度为50％，风速为0.06m/s。利用如1所示的CFD与人体热反应模型的耦合系统，结合设置的环境温度、湿度、风速，可得人体皮肤温度，如图2所示。

其中，进入设置的热环境后，人体温度明显低于环境温度，此时人体从环境吸收大量热量，人体辐射与对流换热量均已变为负数，且蒸发成为人体向环境散热的唯一方式，总体来说，头部温度最高，背部和胸部温度较低，差值可达1.7℃。在相同的环境条件下，人体不同部位的出汗量差异较大，背部和胸部出汗量较大，在高温度环境向环境散失热量较多，达到降低体温度的目的。本发明实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统可用于整个人体，也可用于人体各部位，并且适用于非均匀环境人体各部位热舒适性及热应激评估。较假人耦合系统而言，CFD耦合系统避免了假人在高温环境出现皮肤温度过热的技术局限性。因此，CFD耦合系统在高温环境更具针对性，成为高温环境人体热反应参数预测、人体热舒适性及人体热应激评估的重要工具。

根据本发明实施例提出的CFD与人体热反应模型的耦合系统，通过设置环境温度、湿度及风速等参数并输入到建立的系统，计算得到人体与环境实时的热交换量，包括对流、辐射及传导换热；人体热反应模型可模拟人体热生理调节过程，得到人体不同区块的皮肤温度及出汗率等；将数值假人与人体热反应模型耦合可得不同环境条件下人体各区块的热生理参数，如皮肤温度、核心温度、出汗率及人体与环境的换热量等；解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的CFD与人体热反应模型的耦合方法。

图3是本发明一个实施例的CFD与人体热反应模型的耦合方法的流程图。

如图3所示，该CFD与人体热反应模型的耦合方法包括以下步骤：

在步骤S301中，人体热反应模型通过人体-服装-环境参数进行计算，以得到人体各部位皮肤温度。

在步骤S302中，根据人体各部位皮肤温度计算所得温度值作为数值假人的边界值，以在CFD中设置环境工况并按边界值运行，进而获取数值假人与环境的换热量。

在步骤S303中，将换热量回代到人体热反应模型中，以计算得到皮肤温度值。

在步骤S304中，重复迭代计算过程，以得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况。

在本发明的一个实施例中，本发明实施例的方法还包括：输出计算结果，其中，计算结果包括核心温度、皮肤温度和出汗量中的一种或多种。

需要说明的是，前述对CFD与人体热反应模型的耦合系统实施例的解释说明也适用于该实施例的CFD与人体热反应模型的耦合方法，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的CFD与人体热反应模型的耦合方法，通过设置环境温度、湿度及风速等参数并输入到建立的系统，计算得到人体与环境实时的热交换量，包括对流、辐射及传导换热；人体热反应模型可模拟人体热生理调节过程，得到人体不同区块的皮肤温度及出汗率等；将数值假人与人体热反应模型耦合可得不同环境条件下人体各区块的热生理参数，如皮肤温度、核心温度、出汗率及人体与环境的换热量等；解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。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，或仅仅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，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。