基于FLUENT軟件的安全帽內溫度場分析

李 鵬 王 志 孫美娜 董 強

中國建筑第六工程局有限公司

安全帽的不正確佩戴在建筑行業導致的致傷、致死事故是時有發生的[1-2]，由于建筑行業的艱苦、露天作業、現場材料多以及施工人員自身素質的特點，施工人員不正確佩戴安全帽的現象[3]也是常有的。針對此問題，研究人員對安全帽進行了設計與改善[4]。隨著計算流體力學的發展（Computational Fluid Dynamics，CFD），可預見性的安全帽的通風散熱設計成為可能[5]。

1 安全帽內溫度場數學模型

含通氣孔的安全帽，如圖1，通氣孔主要布置的位置有側面、頂面和正面三個方向。安全帽內氣體為常溫、低速、不可壓縮符合Bonssinesq假設的流體，遵循質量、動量和能量三大守恒定律[6]。

質量方程：

式中：

ux、uy、uz—x、y、z三個方向的速度分量，m/s；

t—時間，s；

圖1 含有通氣孔的安全帽

ρ—密度，kg/m3。

動量方程（x方向）：

式中：

σxx—粘性應力分量，Pa；

fx—三個方向的單位質量力，m/s2。

組分方程：

式中：

T—溫度，℃；

cp—比熱容，J/(kg·K)；

k—流體的傳熱系數，W/m2·K；

ST—粘性耗散項。

氣體流動模型符合湍流模型，假定空氣從安全帽正面流入，從安全帽后面流出，使用標準k-e模型進行求解溫度場，k-e方程如式4和式5[7]。

式中：

ρ—空氣密度，kg/m3；

ui—速度矢量，m/s；

K—湍流脈動動能，m2/s2；

u—層流動力粘性系數，Pa·s；

ut—湍流粘性系數，Pa·s；

ε—湍流能量耗散率，m2/s3。

2 安全帽內溫度場數值模擬過程

2.1 GAMBIT建模

繪制長軸220mm，短軸高140mm的橢球代表安全帽，因成年人面部尺寸各異，我們繪制長軸90mm，短軸90mm圓球代表人員佩戴好安全帽。這樣，佩戴高度90mm，水平間距20mm，頭與帽垂直間距50mm，符合要求。安全帽內部空間左右對稱，其左側三維幾何模型，如圖2。……