[发明专利]CFD与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法

说明书

本发明公开了一种CFD与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法，其中，系统包括：人体热反应模型，利用人体－服装－环境参数模拟人体各区块在不同环境条件下热生理反应的变化；数值假人在嵌入计算流体动力学分析CFD后用于计算人体与环境之间的换热量；人体热生理参数预测模块，用于通过人体热反应模型和数值假人进行耦合。该系统不仅关注人整体的热反应，也关注人体各部位的热反应变化情况，解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

技术领域

本发明涉及公共安全人体防护技术领域，特别涉及一种CFD(ComputationalFluid Dynamics，计算流体动力学分析)与人体热反应模型的耦合系统及耦合方法。

背景技术

高温环境可能导致人体烧伤，甚至危及生命安全。利用CFD仿真的可扩展性和环境温度设置的灵活性，将人体热反应模型与数值假人耦合在CFD平台实现仿真模拟，并用于高温环境人体热生理参数预测、防护服性能测试和人员安全评估等，为降低热应激水平、提升救援效率、保障消防员的生命安全提供技术支撑。

皮肤温度是最为重要的人体热生理参数之一，广泛用于人体热舒适性及热应激评估。较人体热生理高温实验而言，CFD耦合系统可充分发挥虚拟环境参数限制少的优点，可轻易设置环境工况，且克服了人体实验的个体差异性及高温环境实验的危险性。相关技术中，如基于暖体假人的高温防护服测试实验系统(，较假人耦合系统而言，CFD耦合系统避免了假人在高温环境出现皮肤温度过热的技术局限性。因此，CFD耦合系统在高温环境更具针对性，成为高温环境人体热反应参数预测、人体热舒适性及人体热应激评估的重要工具。

然而，人体热生理反应和热舒适性受环境条件及人体部位差异的影响较大，即使在相同的环境条件下人体各部位的皮肤温度和热舒适性也会表现出一定的差异性。因此，人体热反应不仅局限于人的整体，而应该细化到人体各部位，相关技术有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种CFD与人体热反应模型的耦合系统，该系统可以解决高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

本发明的另一个目的在于提出一种CFD与人体热反应模型的耦合方法。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种CFD与人体热反应模型的耦合系统，包括：人体热反应模型，用于将人体按生理结构划分为多个区块，利用人体－服装－环境参数模拟人体各区块在不同环境条件下热生理反应的变化；数值假人，所述数值假人为将暖体假人经激光扫描后得到的三维人体几何形状，并且在嵌入计算流体动力学分析CFD后用于计算人体与环境之间的换热量；人体热生理参数预测模块，用于通过所述人体热反应模型和所述数值假人进行耦合，其中，所述人体热反应模型通过人体-服装-环境参数进行计算得到人体各部位皮肤温度，以将得到的温度值作为所述数值假人的边界值，从而在所述CFD中设置环境工况并按所述边界值运行，以获取所述数值假人与环境的换热量，并且将所述换热量回代到所述人体热反应模型中，由所述人体热反应模型计算得到皮肤温度值，重复迭代计算过程，以得到不同时间人体热交换与热生理反应的变化情况。

本发明实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统，通过设置环境温度、湿度及风速等参数并输入到建立的系统，计算得到人体与环境实时的热交换量，包括对流、辐射及传导换热；人体热反应模型可模拟人体热生理调节过程，得到人体不同区块的皮肤温度及出汗率等；将数值假人与人体热反应模型耦合可得不同环境条件下人体各区块的热生理参数，如皮肤温度、核心温度、出汗率及人体与环境的换热量等；解决了高温环境下人体热生理参数的实时预测的需求，为人员热生理参数预测提供理论依据，最终达到保护人员安全的目的。

另外，根据本发明上述实施例的CFD与人体热反应模型的耦合系统还可以具有以下附加的技术特征：