06节《CFD人体散热模型》airpak模拟高级班48讲
各位同学，大家好，我是七师兄。
今天我们来学习，Airpak高级班的第六课《人体散热模型》
室内热源的散热是影响室内空气状态的重要因素,对于空气调节领域的工程设计和理论研究来说,室内热源的散热特性对于室内环境影响十分显著。室内热源的种类繁多,形状各异,很难对各种热源的散热情况进行详细的描述。辐射对流动和热源散热有很大的影响,严格的热源描述需要考虑辐射,对流与热源之间的耦合关系,但考虑这种耦合关系后数值计算量大幅度增加。一般只有在详细研究热源散热特性时需考虑这种耦合,而计算室内空气流动时则采用解耦的方式进行,即采用简化的热源模型。简化的热源模型是分别对各种不同热源的散热特性进行研究后,给出的简单易用且具有一定精度的热源模型。室内热源种类繁多,常见的包括人员、灯
和设备三大类,其中,人员的散热特性不仅取决于人
性别、年龄等客观因素,还和环境参数、衣着和活动状态有关;灯具种类繁多,安装方式也干差万别,导致来自灯光的散热变十分分复杂:室内设备更是多种多样,,常用的就有计算机,复印机、打印机、扫描仪，各种家用电器等。
6.2在讲人体散热模型之前，我们要知道人体能量的组成形式。
人体需要的能量。其中,一部分能量直接以热能形式维持体温恒定并散发到体外.)他为机体所利用的能量,最终也都转化为热能散发到体外。
生理代谢活动是人类最基本的生命活动。为了保证生理代谢的正常进行,人体的温度必须稳定在一个很狭窄的温度范围内。体温过高或过低都会对体内的生化反应产生严重的影响(提示：Airpak模拟48讲视频课程，可以关注公众号：七师兄课堂）。为了保持自身的热平衡,人体通过呼吸、汗液分泌等调节方式,与环境进行着热量的交换。因此,人体存在如下式所示的热平衡(为统一起见,均折合为单位人体表面积的热量):
S=(M-W)+E+C+R
式中,S为人体蓄热率(W/m);M为人体能量代谢率(也可称为人体新陈代谢率),决定于人体的活动量大小(W/m2);w为人体所做的机械功(W/m');
E为汗液燕发和呼出的水蒸气所带走的热量(W/m);R为穿衣人体外表面与周围表面间的辐射换热量(W/m');C为穿农人体外表面与环境之间的对流换热量
(W/m)。那么这就是人体能量的组成形式。
6.3那么对于我们环境来说，他的接受形式是人体散热。
人体与周围环境进行热交换的方式有几种,包括:皮肤表面的显热散热,汗液蒸发与皮肤散发的湿气蒸发形成的潜热散热,以及呼吸过程中的显热与潜热散热。其中,按照对空气温度影响机理不同,人体热源的散热方式可以分为两种:
1)直接散热,包括对流、呼吸散热以及人体散湿形成的潜热。2)间接散热,即人体辐射散热。
人体的热平衡方程是研究人体散热散湿特性的基础,人体各种散热散湿量都由人体的热平衡决定。影响人体散热的因素很多,其中对人体散热量影响较大的主要有以下几个参数:
(1)人体的能量代谢率人从摄取的食物中吸收糖、脂肪和蛋白质,这些物质通过碳氢氧化的分解过程而释放能量,一部分能量供人体活动和机体的需要.
另一部分维持体温并直接散发给周围环境,这就是人体通过新陈代谢释放能量的主要过程。
（2）人体皮肤表面积人体与环境的绝大部分热交换,如皮肤对流散热,人体表面的辐射散热,以及人体出汗造成的蒸发散热,都是经由人体的皮肤表面进行的,人体皮肤表面积不相同,人体与周围环境的热交换量也会有区别。
(3)皮肤平均温度当人体体内温度升高的时候,人体热调节系统就会通过扩张皮肤附近的毛细血管的直径来提高皮肤表面的温度,加大人体与环境的散热量,反之,体内温度下降时,(提示：Airpak模拟48讲视频课程，可以关注公众号：七师兄课堂）人体会通过缩小血管直径,以降低皮肤表面温度来保持热能(4)服装热阻和透湿性服装对人体的保温和湿扩散有着重要的影响。一面,服装阻码人体热量向外界环境释放,另一方面、服装对皮肤表面的水蒸汽附加阻力，同时吸收部分汗液。
6.4人体热源模型
前人的科研成果，从人体新陈代谢机理出发,分析人体的各种散热、换热形式建立了许多人体产热、散热的物理模型,给出了相应于人体热物理模型的基于使量守恒原则的人体热平衡方程。
要描述人体热平衡和散热过程，必须建立人体热平衡的物理模型，对复杂
人体进行简化，从而建立适当的描述人体各种散热过程和整个人体的热平衡方程。目前已经有以下三种常见的描述人体散热的模型。
1）Fanger的单节点稳态人体热源模型（局限于稳态环境）2）Gaggede两节点瞬态人体热源模型（限制于均匀工况）
3）Stowlijkde多节点人体热源模型（能够模拟非稳态、非均匀条件，但计算量大）
4）其他人体热源模型
1)Fanger的单节点模型假设:人休处于热平衡状态,人体的蓄热可以忽略;人体近于热中性,即人体无颤抖,且不考虑血液调节作用。在该模型中,人体内部与皮肤层作为一个整体,所以称为单节点模型。隐态情况下,人体的产热等于人体的热损失,由此可列出下述人体热平衡方程(各项热量均为单位人体表面积的值);
M-W=
Qsk+Qres=(Cres+Eres)+(C+R+Esk)式中,
M为人体能量代谢率,决定于人体的活动量大小(W/m');w为人体房做的机械功(W/m
);
Qres为通过呼吸的全热损失率(W/m);Qsk为通过皮肤表面的全热损失率(W/m);Cres为通过呼吸的对流热损失率(W/m2);Eres通过呼吸的蒸发热损失率(W/m2);C+R为通过皮肤表面的显热热损失(W/m2);Esk为通过皮肤表面的蒸发热损失率(W/m2)。人体散热的主要来源（计算公式较多，较为复杂）2）Gaggede两节点瞬态人体热源模型（限制于均匀工况）
两节点瞬态人体热模型该模型将人体简化为两同心圆性体一内圆柱体代表人体的核心部分(骨骼、肌肉、内部器官),外圆柱体代表人体的皮肤层。
并且假设:通过皮肤的传导换热可以忽略;每一节点的温度发匀;新陈代谢产热,外部做功、和呼吸热损失与内部节点相关联;人体核心部分与皮肤层通过直接接触和由热调节控制的外部血液流动进行能量交换。根据能量守恒,人体蓄热率=人体净得热率一人体热损失，得出平衡方程（方程不做具体介绍）
3）Stowlijkde多节点人体热源模型。模型把人体分为头、躯干、胳膊、手、腿、足等6个节段,并假设中央血液部分通过血液循环把6个节段联系来。头部抽象为圆球，其他节段作为圆柱来看待。每一个节段从内到外划分为核心层、肌肉层、脂肪层、皮肤层。6.5
前面我们说了，人体散热的模型，那么，我们人体是通过哪些方式和环境进行热力交换的呢？我们知道，最基本的换热方式，有三种导热、对流、和辐射。那么前面的课程中讲到，人体和环境的热交换，主要是对流和辐射。热量交换的形式主要有显热和潜热交换。
显热散热主要包含：人体皮肤表面辐射散热、皮肤对流散热、呼吸对流散热潜热散热主要包含：皮肤蒸发潜热、呼吸潜热
以上具体的显热和潜热散热，计算公式也是十分的多而繁杂，我们不做具体介绍。因为，我们一般不做具体的人体研究，而是想要知道人体的换热量，目前很多科研和工程项目，在关于人体散热这一块使用的大多事是简化后的模型。当然了，国内也有一些科研单位和高校的科研人员，使用CFD细致的研究人体的各方面情况。比如香港大学，在研究人体呼出的飞沫情况，已经走在了前言，中南大学研究过人体血管、肺部呼吸。东南大学研究过医院人体呼吸道疾病方面等等。
那么落实到我们在做科研也好，做具体的工程项目也好，如何来获得人体的具体散热情况呢。那么这里给大家列了一些公式，
人体散热计算公式重要系数：表面传热系数辐射传热系数服装面积系数
接下来我们来看下在Airpak软件中如何来设置相应的参数。
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