高溫環境下頭部局部送風熱舒適性模擬研究

范曉偉吳金河李志強楊書申歐陽懷瀑

1中原工學院能源與環境學院2鄭州大學土木工程學院

近年來，高溫作業成為社會各界共同關注的重要問題[1]。在高溫環境中，人體可以通過自身的體溫調節系統維持體溫的相對穩定，但這種自主性體溫調節范圍有限。長期處于高溫環境不僅降低勞動者工作效率，而且危害人體健康甚至危及生命。在工業生產過程中，由于生產工藝要求和生產條件限制，造成一些工作車間環境溫度高，如鋼鐵廠車間，絲印廠描繪工藝車間及紡織廠車間等。以個性化送風的方式進行局部送風降溫，從而改善高溫環境下人體熱舒適狀態，是當前值得研究的課題之一。而且已經證實個性化送風能改善人體熱舒適性、提高人員吸入的空氣品質[2-3]。本文針對一種便攜式空調系統[4]的末端送風裝置進行數值模擬研究，該系統主要由小型空氣處理設備和末端送風裝置送風帽組成，具有結構簡單、便于攜帶、降溫效果明顯等優點。經空氣處理設備降溫處理的低溫空氣經由連接軟管輸送至送風帽體內，并由送風口吹向人頭部，達到改善頭部及人體熱舒適狀態的目的。

本文基于Pennes生物傳熱方程描述人頭部傳熱模型，利用CFD技術對送風帽的送風特性進行模擬研究，分析送風參數對人頭部熱舒適狀態的影響狀況。

1 數值計算模型建立

1.1 物理模型及網格劃分

本文采用三維人體掃描儀獲取頭部輪廓點云數據，通過逆向建模進行頭部輪廓曲面重構得到頭部曲面模型，最后導入Gambit軟件生成頭部模型體。選取頭部周圍600 mm×600 mm×400 mm的區域為流體計算域。頭頂處佩戴有送風帽。該送風帽由內外層殼體，中間風道及送風口組成。所建立的頭部模型及計算域模型如圖1所示。

圖1 頭部及計算域模型示意圖

利用Gambit劃分非結構網格，由于頭部形態特征復雜，將頭部及送風口周圍空氣域進行網格加密，參見圖2。

圖2 頭部及風口周圍網格示意圖

1.2 頭部傳熱模型

對人體傳熱模型的研究主要見文獻[5-11]，其中以Pennes生物傳熱方程描述人體局部組織溫度分布的應用較為成熟，為此，本文選擇Pennes生物傳熱方程描述頭部各組織間的熱傳導過程，控制方程[6]如下：

其中：

式中：x 代表x、y、z三維坐標；t為時間，s；ρ為組織密度，kg/m3；ρb1為血液密度，kg/L；c為組織比熱容，J/(kg·K)；cb1為血液比熱容，J/(kg·K)；k 為組織導熱系數，W/(m·K)；T 為組織溫度，℃；Tb1為動脈血溫度，一般取為37 ℃；ωb1為血液灌注率，L/(m3·s)；Qm為組織總產熱，W/m3；Qm0為代謝產熱，W/m3；ΔQm0為溫度相關項，W/m3；Qm,sh為顫抖產熱，對于頭部可忽略，W/m3；Qm,w為做功項，對于頭部可忽略，W/m3。

依據人頭部結構特征及熱學影響作用將頭部組織簡化為三層——腦組織層，骨骼層及肌肉層。頭部各組織熱物性參數取值見表1[12]。

表1 頭部各組織熱物性參數

1.3 湍流模型及邊界條件

本文選用標準k-ε湍流模型描述計算域內空氣的流動狀態。頭部各組織層間的交界面為固—固耦合面，給定一類耦合邊界條件，即Tw1=Tw2。頭部與周圍空氣域交界面為固—氣耦合面，給定三類耦合邊界條件，即[13]。其中，T為固體組織溫度，℃。w1、w2分別為交界面處固體壁面1和固體壁面2。k為固體組織導熱系數，W/(m·K)。n為交界面的法線方向；q2為交界面處氣體側熱流量，W/m2。

送風口給定速度入口邊界條件。對稱面給定對稱邊界條件。空氣域外邊界面給定壓力出口邊界條件。其余邊界給定絕熱壁面邊界條件。計算環境溫度取40℃。

2 評價指標及數據處理方法

2.1 頭部熱舒適狀態評價指標——舒適滿足率η

針對非均勻環境下人體熱感覺、熱舒適的預測方法，國內外的學者均開展了一些研究工作[15-18]。其中，Zhang建立的熱感覺、熱舒適模型[18]是目前較為完善的非均勻熱環境評價模型。本文基于Zhang的局部熱感覺模型建立評價指標，其熱感覺評分指標見表2[14]。

表2 熱感覺評分指標

在此基礎上，本文提出熱舒適滿足率η，即熱感覺評分值在-2～2（即涼與暖）之間的皮膚表面積占皮膚總表面積的百分比。其表達式為：

式中：η為熱舒適滿足率；Sc為熱感覺評分值在-2～2之間的皮膚表面積，m2；St為計算皮膚總表面積，m2。

2.2 數據處理方法

Zhang采用對數函數描述局部熱感覺值與局部皮膚溫度的關系，并考慮全身熱狀態對局部熱感覺的影響建立了穩態的局部熱感覺模型[14]。

本文利用CFD進行數值計算獲得不同送風工況下頭部皮膚溫度分布，基于Zhang的對數函數公式[14]計算得到不同皮膚溫度相應的熱感覺值，最終依據式（3）計算得到頭部熱舒適滿足率η值。

3 計算結果及分析

本研究中保持送風帽的結構不變，出風口寬10 mm、距頭部水平距離10 mm。以送風參數為可調變量，取值見表3。其中，送風角度指背離人體表面方向偏離垂直平面的送風角度。

表3 送風參數取值

3.1 降溫性能分析

假設人進入40℃高溫環境的初始狀態為皮膚溫度34℃、核心溫度為36.8℃，以此為基礎進行非穩態計算。人進入高溫環境的同時，開啟送風裝置，以送風溫度28℃、送風風速0.6 m/s、送風角度0°條件下的計算結果進行對比，如圖3和圖4所示。

圖3表示了無送風和送風條件下不同時刻人頭部皮膚溫度分布情況。可以看出，人進入高溫環境后，送風時人頭部最高皮膚溫度均低于無送風時的最低皮膚溫度。送風時頭部大部分區域皮膚溫度在33～35℃，較為舒適。而無送風條件下，10 min時皮膚溫度已均高于35℃，30 min時均高于36℃，偏離舒適狀態。從圖4可以發現：送風條件下頭部平均皮膚溫度隨時間變化出現先降低后升高的現象，這由于在人進入高溫環境的同時開啟送風裝置使得前5 min內頭部只受到送風低溫氣流的作用。無送風時，人頭部平均和最高皮膚溫度均高于送風時1～2℃，且皮膚溫度上升速度高于送風狀態。可見，此送風帽裝置對改善人體微環境方面具有明顯的效果。

圖3 無送風與送風時不同時間頭部溫度分布

圖4 人頭部平均溫度與最高溫度隨時間變化

3.2 氣流速度及溫度分布

以送風溫度28℃、風速0.6 m/s、角度0°為例，圖5和圖6表示了頭部周圍氣流速度和溫度分布情況。送風主氣流自送風口送出后形成一道具有隔熱作用的氣幕屏障，將人頭部與周圍高溫環境隔離開來。從送風口向下，送風主氣流速度逐漸衰減，溫度逐漸升高。在人的下巴部位下側形成送風渦旋區，風速較弱，造成積熱現象。頭頂處無送風致使頭頂與送風帽之間的空氣夾層易產生積熱。

圖5 人頭部周圍速度分布

圖6 人頭部周圍溫度分布

圖7表示了送風主氣流的流向變化情況。送風夾角0°時，送風主氣流自送風口垂直向下流出，并貼附人面部向下流動。送風夾角15°時，送風主氣流以一定角度向外偏離人面部送出，但隨即偏向并貼附于人面部。這是由于送風口距人頭部較近，送風主氣流外側為開放空間而內側緊鄰人頭部，產生貼附效應。

圖7 出風口速度矢量圖

3.3 送風參數對頭部熱舒適狀態的影響

3.3.1 送風溫度的影響

保持送風角度為0°不變，熱舒適滿足率η隨送風溫度的變化情況如圖8所示。隨著送風溫度升高，η值先逐漸增加，而后逐漸下降，存在最優送風溫度范圍，不同送風速度下最優溫度范圍不同。當送風溫度低于24℃時，隨著溫度降低，風速減小，η越大。而送風溫度大于24℃時，隨溫度升高，風速增大，η越大。這反映了送風溫度與風速之間具有耦合作用，送風溫度升高時，需提高風速補償溫升，增強對流換熱性能，從而保證頭部熱舒適狀態。考慮較低送風溫度時可能導致風口附近區域吹冷風感而距風口較遠的頸部區域由于風速較小造成積熱現象。而較高送風溫度時需要較大風速補償溫升，將增大送風量致使空氣處理裝置體積增大，因而基于計算結果，建議送風溫度的選取范圍為24～28℃。

圖8 熱舒適滿足率η隨送風溫度變化關系

3.3.2 送風風速的影響

圖9為熱舒適滿足率η隨送風風速的變化曲線。顯然，η值隨送風風速的增大逐漸升高。送風風速低于0.6 m/s時，曲線斜率較大。而大于0.6 m/s時，曲線變得平緩。當風速為0.4 m/s時，η值小于0.9。這說明風速較小時不易保證頭部熱舒適狀態，而風速大于0.6 m/s時，改變風速對η值的影響較小。同時考慮較大風速可能導致頭部不適，建議送風風速為0.6～0.8 m/s。

圖9 熱舒適滿足率η隨送風風速變化關系（送風溫度26℃）

3.3.3 送風角度的影響

從圖10可以看出，隨著送風角度的變化，η值變化不大，說明在0～15°的角度范圍內，改變送風角度對人頭部的熱舒適狀態影響較小。這是由于在送風口和人頭部之間形成渦旋區，當送風溫度和速度一定時，送風角度通過影響渦旋區面積間接影響頭部熱舒適狀態，而計算角度范圍內，渦旋區面積隨送風角度變化較小，參見圖7。

圖10 熱舒適滿足率η隨送風角度變化關系（送風溫度26℃）

4 結論

針對高溫環境下改善頭部熱舒適狀態的問題，建立了頭部傳熱模型及計算域模型，并提出熱舒適滿足率η作為頭部熱舒適狀態的評價指標，通過數值模擬分析了不同送風參數對頭部熱舒適狀態的影響作用，主要得到以下結論：

1）基于便攜式空調系統的頭部送風可在頭部周圍形成隔熱氣幕可以實現在高溫環境下改善人頭部熱舒適狀態，創造滿足頭部舒適需求的微環境。

2）通過送風帽送風，合理的送風溫度范圍為24～28℃，送風風速范圍為0.6～0.8 m/s。

3）送風溫度與風速對人體頭部的熱舒適性具有耦合作用，即送風溫度升高時，提高風速能夠補償溫升改善頭部熱舒適狀態，送風溫度由20℃升高至30℃時，保證η值大于0.9的最小送風風速由0.4 m/s增大至1.0 m/s。