毛聰,游波,*,李剛,韓巧云,劉劍鋒,饒玲瑜

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201;2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 馬鞍山 243000;3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 湘潭 411201)

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人們職業(yè)安全健康防范意識的提高以及國家的職業(yè)衛(wèi)生管理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化,提高人體在作業(yè)環(huán)境中的熱舒適性勢在必行.許多特殊行業(yè)都存在高溫高濕環(huán)境,常見有冶金工業(yè)的煉焦、煉鐵、煉鋼作業(yè);機(jī)械制造工業(yè)的鑄造、鍛造、熱處理作業(yè);紡織工業(yè)的印染、造紙及煤礦行業(yè)的采礦作業(yè)等.人們長期暴露在高溫高濕條件下從事高強(qiáng)度體力勞動(dòng)時(shí),導(dǎo)致人體熱平衡失衡、水鹽代謝失調(diào)等，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)熱中暑、熱痙攣、熱衰竭以及脫水，工作效率會降低,生理和心理健康會遭受到威脅.因此,需設(shè)計(jì)研究一款氣體降溫服,其作用可有效降低人體皮膚溫度,保護(hù)著裝者免受熱害,提高人體熱舒適性.

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對氣體降溫服進(jìn)行了大量研究.英國科學(xué)家[1]研制出一套簡易降溫系統(tǒng):通過設(shè)計(jì)通風(fēng)管路把軟管插進(jìn)衣內(nèi)空間,接入坦克通風(fēng)口,通過動(dòng)力裝置把戶外較低溫空氣抽進(jìn)衣服,可以使溫度降至58 ℃;柳源等[2]針對礦井熱害研制了氣冷式的降溫防護(hù)服,但此類降溫服裝需要使用電源或蓄電池,不滿足礦井的防爆要求;曾彥彰等[3]研制出一款利用風(fēng)扇陣列工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)制對流使人體皮膚汗液蒸發(fā)散熱的人體降溫空調(diào)服,該降溫服能有效降低人體皮膚溫度,穿著輕便;洪福銀[4]研發(fā)出軀干頭部共同降溫的風(fēng)扇降溫服,將通風(fēng)調(diào)整件裝置在服裝后背上部和后領(lǐng)處,形成立體通風(fēng)道,空氣通過后領(lǐng)通風(fēng)調(diào)整件到達(dá)頭部,讓頭部實(shí)現(xiàn)同步降溫;劉何清等[5]采用真人實(shí)驗(yàn)的方法,研究人上體軀干穿著氣體冷卻服時(shí)衣內(nèi)微空間氣候參數(shù)及上體軀干皮膚溫度受環(huán)境溫度、勞動(dòng)強(qiáng)度和通氣量變化的影響;Maurissa等[6]人將熱電制冷器應(yīng)用于氣體降溫服內(nèi),實(shí)驗(yàn)測得空氣溫度可被降低約10 ℃;Yi Wen等[7]研究了降溫服風(fēng)扇與電池的最佳搭配,但風(fēng)扇提供的空氣流量隨著使用時(shí)間逐漸降低,降溫能力逐漸減小.國內(nèi)外對礦用氣體降溫服的實(shí)驗(yàn)研究充分,但是仿真模擬較少.本文采用數(shù)值模擬的方法,構(gòu)建人體皮膚-微空間-氣體降溫服三維物理模型,探討礦用氣體降溫服通風(fēng)參數(shù)對人體皮膚溫度的影響,為礦井降溫個(gè)體防護(hù)裝備的推廣與應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 通風(fēng)服工作原理

正常狀態(tài)下,人體的產(chǎn)熱和散熱量處于平衡狀態(tài),當(dāng)人體處于高溫高濕環(huán)境或重體力勞動(dòng)強(qiáng)度時(shí),人體產(chǎn)熱量急劇增加,人體產(chǎn)熱量大于散熱量,人體通過汗腺排液難以維持體溫平衡,熱量便會累積從而使體溫上升.人體著裝氣體降溫服后,在人體皮膚表層和服裝內(nèi)層之間存在空氣層,這一微小空間被稱為人體皮膚-微空間-服裝微氣候區(qū)(如圖1).在人體這一服裝微氣候區(qū)通風(fēng)后會形成強(qiáng)制對流,服裝微氣候區(qū)中空氣流動(dòng)性顯著增強(qiáng),會帶走些許熱量;氣體介質(zhì)通過氣體降溫服內(nèi)通風(fēng)管路流動(dòng),直接作用于人體皮膚表面,人體皮膚表面的蒸發(fā)散熱以及與服裝微氣候區(qū)的對流換熱會增加,從而降低人體皮膚溫度,增加人體熱舒適感.

圖1 人體皮膚-微空間-服裝微氣候區(qū)

2 人體產(chǎn)熱率

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)邀請了20名健康男性研究生,平均年齡(24±2)歲,平均身高(1.75±0.08)m,平均體重(75±10)kg,平均體重指數(shù)(24.4±1.9)kg/m2.提前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)培訓(xùn),確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效.采用湖南科技大學(xué)資安學(xué)院人工環(huán)境氣候艙模擬礦井條件,溫度設(shè)定為(30±0.5)℃,相對濕度設(shè)定為80%±2%;采用美國MAXIM公司的DS1922L溫度傳感器測量人體皮膚溫度,精度0.05 ℃；一種標(biāo)準(zhǔn)的水銀溫度計(jì),測量范圍為0～50 ℃,精度0.05 ℃；運(yùn)用小米心率手環(huán)測量人體心率；服裝材料選用無毒無害,柔軟性好防水且穿戴輕便,易清洗的食用級硅膠材料,實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)前,實(shí)驗(yàn)者在室內(nèi)(溫度為25 ℃,相對濕度為50%)靜坐休息30 min,達(dá)到不冷不熱,無顯汗的舒適狀態(tài).之后進(jìn)入人工模擬環(huán)境艙,在環(huán)境溫度為30 ℃,相對濕度80%時(shí),持續(xù)40 min,分別測得人體靜坐和重體力勞動(dòng)強(qiáng)度(通過在動(dòng)感單車上運(yùn)動(dòng),以心率指標(biāo)的勞動(dòng)強(qiáng)度分級方法[8],動(dòng)態(tài)心率穩(wěn)定在120～135[9],模擬人體工作時(shí)的重體力勞動(dòng)強(qiáng)度)時(shí)人體上部軀干8個(gè)不同部位的皮膚溫度,皮膚溫度面積加權(quán)平均值結(jié)果見表1.

表1 人體皮膚溫度

2.2 產(chǎn)熱率計(jì)算

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在高溫高濕環(huán)境(環(huán)境溫度為30 ℃,相對濕度80%)下,從事重體力勞動(dòng)強(qiáng)度,人體皮膚溫度升高.其原因?yàn)殡S著勞動(dòng)強(qiáng)度增大,人體在高溫環(huán)境中,環(huán)境對人體的對流和輻射作用加強(qiáng),人體新陳代謝的作用增強(qiáng),產(chǎn)熱量大于散熱量,導(dǎo)致人體皮膚溫度上升.根據(jù)熱能式(1)計(jì)算得出結(jié)果見表2.

表2 不同軀干部位產(chǎn)熱率

Q1=CMΔT.

(1)

式中:C表示人體皮膚的比熱,J/kg·℃;v表示人體產(chǎn)熱率,W/m3;ρ1表示人體皮膚的密度,kg/m3;t表示時(shí)間,s;M表示人體質(zhì)量,kg;ΔT表示溫度變化量,℃.

3 數(shù)值模擬

3.1 模型設(shè)計(jì)

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5703—1999上軀干物理模型各項(xiàng)尺寸數(shù)據(jù)[10],設(shè)計(jì)上體軀干物理模型氣體降溫服,利用SolidWorks軟件能構(gòu)建復(fù)雜的曲面設(shè)計(jì)功能來構(gòu)建著裝人體上軀干三維物理模型.構(gòu)建厚度為10 mm的服裝微氣候區(qū),其內(nèi)部布置有1根直徑為8 mm的通氣橫管和8根直徑為6 mm相互垂直的豎管的通氣管路系統(tǒng),每根供氣豎管間隔約80 mm,且每根供氣豎管上每40 mm等距布置17個(gè)直徑為4 mm的出氣小孔,小孔方向向里;入口在服裝左側(cè),直徑為8 mm且將模型分為8個(gè)部分,其模型尺寸詳情見表3及圖3.

圖3 服裝模型設(shè)計(jì)圖

表3 男性上軀干模型尺寸

3.2 網(wǎng)格劃分

本文利用有限元體積法Ansys Meshing對模型進(jìn)行適應(yīng)性強(qiáng)、擬合實(shí)體精確的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分,控制網(wǎng)格增長率在1.2以內(nèi),在入口、小孔及管壁處進(jìn)行網(wǎng)格加密,如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)量為 5 085 524,如圖5所示.

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 網(wǎng)格質(zhì)量分布

3.3 控制方程及邊界條件設(shè)置

本文所運(yùn)用的數(shù)學(xué)模型控制方程[11-13]:

質(zhì)量守恒控制方程(又稱連續(xù)性方程):

(2)

式中:ρ為流體密度；u,v,w分別為速度U沿x,y,z三個(gè)方向的速度矢量.

能量守恒定律控制方程:

(3)

式中:cp為定壓比熱容;ST為內(nèi)熱源項(xiàng),表示的是由于黏性作用造成的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱的耗散過程.

Realizablek-ε湍流模型采用了新的、更為合理的湍流黏度公式;ε是由渦流脈動(dòng)均方根傳輸方程推導(dǎo)得來,其滿足對雷諾應(yīng)力的約束條件.

Realizablek-ε模型[14]的湍動(dòng)能k和湍流耗散e運(yùn)輸方程如式(4)和式(5):

(4)

(5)

式中:Gk為平均速度產(chǎn)生的湍動(dòng)能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能;YM是可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹到全局流程中對耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng);C1ε，C2，C3ε為常量；Sk，Sε為自定義湍動(dòng)能項(xiàng)和湍能耗散源項(xiàng).

文章數(shù)值模擬中的邊界條件設(shè)置:將全部的出氣小孔設(shè)置為 interior 條件， 采用對流換熱與輻射混合(MIX)處理皮膚邊界，設(shè)置為wall條件，袖口領(lǐng)口及服裝底部設(shè)置為壓力出口pressure-out條件，選擇半隱式算法 SIMPLE 算法，高曲率計(jì)算區(qū)域流動(dòng)常用的 PRESTO！處理壓力方程，對于動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍動(dòng)耗散率以及能量，采用穩(wěn)定好且精度高的二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散化處理，進(jìn)行模擬分析.

對氣體降溫服內(nèi)流動(dòng)與換熱數(shù)值模擬研究過程做出以下假設(shè):(1)氣體降溫服內(nèi)氣體的流動(dòng)與換熱狀態(tài)為穩(wěn)態(tài);(2)通入該氣體降溫服中的空氣流動(dòng)為不可壓縮流體流動(dòng);(3)不考慮基礎(chǔ)服裝與通氣管道的厚度;(4)忽略由于呼吸散熱及人體皮膚汗液蒸發(fā)所造成的熱量損失;(5)忽略環(huán)境濕度對模擬過程的影響;(6)人體所處的外界環(huán)境空氣處于靜止?fàn)顟B(tài).

4 結(jié)果與討論

運(yùn)用ANSYS軟件,模擬運(yùn)算穩(wěn)態(tài)下各個(gè)物理變量的殘差值都達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)人體的皮膚溫度,通過控制變量法分別研究通風(fēng)溫度、通風(fēng)量對人體皮膚溫度的影響.人體皮膚溫度越低,表明氣體降溫服降溫效果越好.

4.1 人體軀干溫度及分布

在30 ℃環(huán)境溫度,入口設(shè)置通風(fēng)氣流溫度為30,25,20 ℃，通風(fēng)量Q為15,,10,5 m3/h(換算成氣流速度82.95,55.30,27.65 m/s)時(shí),探究著裝氣體降溫服后人體不同軀干部位的皮膚溫度,其結(jié)果如圖6所示.

圖6 不同軀干部位的溫度

由圖6可知,氣體介質(zhì)通過在氣體降溫服管路系統(tǒng)的流動(dòng),從服裝管路上的出氣小孔流入微氣候區(qū)并吹到人體皮膚表面,再由服裝領(lǐng)口袖口等處流出到周圍環(huán)境中,能加強(qiáng)對流換熱及輻射換熱與微環(huán)境中的氣體進(jìn)行熱量交換,加快皮膚表面汗液蒸發(fā),從而降低人體皮膚溫度,提高著裝者的人體熱舒適性.氣體降溫服有顯著的降溫效果,服裝管路系統(tǒng)復(fù)雜,不同軀干部位的冷卻性能存在差異，總體而言,左部效果明顯好于右部,左胸和左肩部位的效果最好.

4.2 人體皮膚溫度場及通風(fēng)管路中氣體流速分布

通風(fēng)溫度為30 ℃、通風(fēng)量分別為15,10,5 m3/h時(shí),人體皮膚溫度場分布如圖7所示,氣體降溫服通風(fēng)管路中氣體速度分布如圖8所示.

圖7 人體皮膚溫度場分布

圖8 通風(fēng)管路中氣體流速分布

由圖7和圖8可知,增大入口風(fēng)量,通風(fēng)管路中氣體流速明顯增大,越靠近通風(fēng)入口,流速越大.由于氣體降溫服構(gòu)造復(fù)雜,管路系統(tǒng)分支多,出氣小孔數(shù)量多,導(dǎo)致通氣管路中風(fēng)流阻力大,風(fēng)流速度逐漸減弱,導(dǎo)致身體右部軀干汗液蒸發(fā)散熱、人體與微氣候區(qū)對流換熱及輻射換熱明顯不如左部軀干.同一環(huán)境溫度下,風(fēng)量增加,通風(fēng)管路中氣體速度流速并無明顯增大,對人體皮膚溫度降幅不大.

4.3 通風(fēng)溫度、通風(fēng)量對人體平均皮膚溫度的影響

當(dāng)人體處于高溫高濕的工作環(huán)境或高強(qiáng)度勞動(dòng)的工作時(shí),蒸發(fā)散熱量和輻射散熱量將會受到很大程度的限制,皮膚溫度會逐漸升高,當(dāng)皮膚溫度與核心溫度相一致時(shí),人體已達(dá)到熱應(yīng)力忍耐極限,應(yīng)立即停止工作.人體平均皮膚溫度反應(yīng)氣體降溫服降溫效果并可用于評價(jià)高溫高濕工作環(huán)境下人體熱舒適性.通風(fēng)溫度與通風(fēng)量對人體面積加權(quán)平均皮膚溫度的影響及關(guān)系如圖9和圖10所示.

圖9 通風(fēng)溫度與通風(fēng)量對人體平均皮膚溫度的影響

圖10 通風(fēng)溫度與平均皮膚溫度的關(guān)系

由圖9可知,隨著通風(fēng)量的增加,通風(fēng)溫度的降低,冷氣體直接作用于皮膚表面,人體的蒸發(fā)散熱作用加強(qiáng),微氣候區(qū)對人體的對流換熱增加,人體的熱調(diào)節(jié)機(jī)制會對外界環(huán)境的改變做出相應(yīng)的調(diào)整,人體平均皮膚溫度會降低.通風(fēng)量分別為15,10,5 m3/h時(shí),通風(fēng)溫度每降低5 ℃,人體平均皮膚溫度分別降低約0.7,0.5,0.3 ℃.一定范圍內(nèi),通風(fēng)量越大,通風(fēng)溫度越低,氣體降溫服的降溫效果越好,人體的熱舒適感越強(qiáng).

由圖10可知,相同風(fēng)量下,人體平均皮膚溫度與通風(fēng)溫度約成線性關(guān)系,通風(fēng)量分別為15,10,5 m3/h時(shí),通風(fēng)溫度每降低1℃,人體平均皮膚溫度降低0.100,0.140,0.067 ℃.相同通風(fēng)溫度條件下,通風(fēng)量為10 m3/h時(shí),氣體降溫服降溫效果最好.通風(fēng)溫度每降低1 ℃相比于通風(fēng)量提高1 m3/h,對平均皮膚溫度的影響更大.

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的氣體降溫服能明顯降低人體溫度,一定范圍內(nèi),降低通風(fēng)溫度相比于增大風(fēng)量更能降低皮膚溫度.

2)人體皮膚溫度與氣體降溫服入口位置有關(guān),人體皮膚溫度呈“左冷右熱”的規(guī)律.

3)氣體降溫服在通入相同通風(fēng)量的情況下,人體平均皮膚溫度與通風(fēng)溫度約成線性關(guān)系.通風(fēng)量分別為15,10,5 m3/h時(shí),通風(fēng)溫度每降低1 ℃,人體平均皮膚溫度約降低0.100,0.140,0.067 ℃.