基于FLUENT模擬人體海水浸漬失溫模擬研究和石墨烯保暖救生衣設計

朱建梁 陳統銷 田花蔓

最近失溫死亡事件頻發，發生在甘肅白銀超級馬拉松失溫死亡事件和發生在云南哀牢山地質勘探人員失溫死亡事件，說明人體失溫的可怕。但是最可怕的人體失溫事件往往發生在海難事故。如果沒有特殊措施，由于海水的比熱容大，人體在海水中散發的熱量遠超過產生的熱量，造成人體失溫昏迷。當海船發生險情，海員和乘客在海水中的生存能力非常有限。

一、 海水浸漬的危險性

1、 海水浸漬人體反應

因為人體失溫模擬實驗只能借助狗、豬、羊等恒溫動物模擬，而動物模擬實驗又會因為動物耐寒性能不同而有所不同。所以借助于FLUENT模擬軟件模擬，能夠取得非常好的數據，模擬吻合度較高。

在一般情況下，水溫低于15攝氏度時，落水死亡的危險性將大大增加。在15℃左右的海水里，一般人員會在15-25分鐘內低溫昏迷，1小時以上就會有生命危險。在沒有有效保暖措施情況下，即使是在炎熱的夏天，萬一發生海難事故，人體失溫昏迷也是在所難免。

2、傳統救生衣

救生衣又稱救生背心，其設計類似背心，采用浮力材料或可充氣的材料制成。一般使用年限為5-7年，是船上、飛機上的救生設備之一。一般為背心式救生衣穿在身上具有足夠浮力。現有的救生衣結構和功能都過于簡單，人員在落水時僅依靠救生衣浮在水面上，由于水體溫度較低容易造成落水人員體溫降低，對落水人員的生命健康造成威脅，影響落水人員的獲救率。

二、人體失溫模擬數字仿真

2.1 傳熱模型的建立

救生衣散熱考慮因素：海水（傳導），空氣（對流），和對人體（傳導）。人體散熱考慮因素：空氣（對流），海水（傳導）。

本熱傳導模型只考慮熱傳導的傳熱過程。將人體近似看作圓柱體模型，利用前處理軟件GAMBIT進行“有限體積”網格劃分，（如圖1）再利用商用軟件FLUENT對海水浸泡下人體熱量散失的流場和溫度場進行模擬計算。

2.2能量方程

以上A1能量方程中，為有效導熱率（，其中，為湍流引致的導熱率，由模型中使用的湍流模型確定）。為組分的擴散通量。方程A1中：

其中，顯焓的定義（對不可壓流體）：

方程A3中，為組分的質量分數：

其中為298.15K。

化學反應引起的傳熱源項

方程A1中的能量源項包含化學反應帶來的熱量;

其中，為組分的生成焓，為組分的體積釋熱率。

有關傳熱的輸入項

激活傳熱計算，在Energy panel面板中激活Energy Equation選項。Define Models Energy...

在流動入口、出口以及壁面定義熱邊界條件

Define Boundary Conditions...

在入口、出口邊界用戶應設定溫度條件;在壁面，用戶可以設定如下的熱邊界條件：設定熱流、設定溫度、對流傳熱條件

入口的缺省熱邊界條件為溫度=300K;壁面的缺省熱邊界條件為熱流=0（即壁面絕熱）。

定義介質的熱參數

Define Materials...

定義介質的比熱和導熱率，并且可以把很多參數設定為溫度的函數。

溫度的高限與低限值

出于計算穩定性的考慮，FLUENT對溫度的計算范圍加以限制。設定溫度的高低限是為了提高計算的穩定性，因為物理上真實的溫度應該處于某個確定的溫度范圍之內。

模擬分離的兩個區域內的傳熱

傳熱計算域涉及到由固體區域或某個壁面分開的兩個流動區域（如圖4所示），那么，就需要設定此計算模型：FLUID 1為救生衣內部的空氣，FLUID2為海水，這里以1.5%NaCl溶液近似模擬。

l在任一個流動區域都不能使用outflow邊界條件

l通過對每個計算域設定不同的流體介質，用戶可以創建單獨的流體介質屬性。這里的流體介質為海水。以1%的NaCl水溶液模擬。

2.3傳熱變量的輸出與顯示

對于傳熱過程，FLUENT提供幾種輸出選項。可以生成如下的圖形或輸出變量/函數：溫度、總溫（滯止溫度）、相對滯止溫度、壁面溫度（救生衣外表面）、壁面溫度（救生衣內表面）、總能、內能、表面總熱流密度、表面傳熱系數等。

穿過邊界的熱流量（熱通量）的輸出

使用面板來計算求解域中每個邊界的傳熱量，或者是對所有邊界的傳熱量求和以檢查熱量的平衡。

Report Fluxes... 進行熱平衡的檢查以確保計算結果達到真實收斂狀態。

穿過表面的熱流通量的輸出

使用Surface Integrals panel面板來計算穿過任一邊界或表面熱流通量。

Report Surface Integrals...

2.4 熱流數據的輸出

把壁面區域（包括輻射體）的熱流數據輸出到文件中，然后就可以進行計算數據的檢查或在在其它程序中使用。為了存貯熱流數據文件，使用custom-heat-flux命令行。

file export custom-heat-flux

選定的區域（面區域，face zone）熱流數據文件的輸出格式為：

zone-name nfaces

每個數據區以區域名稱（zone-name）開始，然后是在此區域包含的面的總數（nfaces）。接下來是每一個面的相關數據（共有nfaces行），每行數據包含面的幾何中心坐標（x_f， y_f， and， 三維時還包含， z_f）、面的面積（A））、包擴輻射傳熱的總熱流量（Q）、面的溫度（T_w）以及相鄰單元的溫度（T_c）。

三、石墨烯發熱保暖救生衣的設計

根據FLUENT模擬海水浸泡散熱模型計算得到的熱量散失數據，設計一種石墨烯發熱保暖救生衣。救生衣本體的內部固定連接有與人體貼合的襯里，襯里設置有保溫層、隔熱層、加熱層，加熱層的內部設置有控制盒、若干石墨烯加熱片以及連接控制盒和若干石墨烯加熱片導線，控制盒與若干石墨烯加熱片電性連接;救生衣本體底部的四周均勻固定安裝有若干氣囊，若干氣囊通過多通管連通;救生衣本體的前胸處對稱固定安裝有兩個第一收容袋，第一收容袋的內部放置后救生漿，救生漿上固定安裝有兩根彈性帶。救生衣本體的內部固定連接有與人體貼合的襯里，襯里的加熱層的內部設置有石墨烯加熱片，若干石墨烯加熱片對人體的各部位進行供暖，防止人體落水后體溫降低。

石墨烯發熱保暖救生衣發熱比較平穩，發熱時間長使用效果好。這樣將大大降低人體海水浸泡發生的危險性。

參考文獻

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朱建梁（1972.7-），男，漢族，浙江余姚人，職業教育學碩士，助理研究員，從事職業教育、教育管理研究;

陳統銷（1963.5—），男，講師，主要從事航海教育和海上求生工作。

田花蔓（1990.11-），女，漢族，湖北仙桃人，圖書館學碩士，館員，從事文獻檢索研究。

課題：浙江省教育廳研究項目

項目名稱：海船制熱可控型保暖救生衣，研究項目，編號Y201225868