户外环境下衣下空气层传热过程研究

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在防控新冠疫情常态化管理的时代背景下,医务工作者们不可避免的会穿着个体防护服,个体防护服往往具有封闭性,透湿性差等特点,对于在室外环境下工作的医务人员,或其他行业如建筑工人、交警等户外工作者,由于其服装特点,工作中可能会造成人体热不舒适或在高温环境下产生热应激反应。着装人体不可避免地会在皮肤表面和服装层之间产生空气层,该空气层对人体散热有很大影响,研究衣下空气层内传热对于户外环境工作人员的热舒适性研究具有重要意义。本文主要研究了户外环境下人体皮肤与服装之间的微小空气层的传热,探究紧口服装和宽松服装空气层的传热问题。着装人体对于紧口处,如手臂、肩膀等处,空气层往往是水平方向,宽松处如人体背部衣下空气层往往是竖直方向,选择探究紧口处水平方向与宽松处竖直方向衣下微小空气层内的温度变化、以及预测人体服装表面温度等。为了改善防护服类服装的衣下空间热环境,本文中实验选取了具有被动降温能力的辐射制冷面料作为人体服装,首先针对该服装空气层传热问题提出了一种单层服装传热模型,然后对人体皮肤-辐射制冷面料-环境系统中的温度分布进行了实验研究。最后将所提出的传热模型预测的服装空气层内温度结果与通过实验获得的温度值进行比较,并进行热平衡分析等来验证模型的准确性。本文具体分析了水平方向空气层不同空气层厚度、环境温度、环境风速、太阳辐射照度下,计算了服装外表面辐射热、导热等热流量。对于竖直方向空气层传热问题主要是借助CFD方法模拟了不同环境工况下的服装表面温度及衣下空气层内温度分布,实验为辅的方法去验证得出相关结论,为提高热舒适性的服装设计提供了理论基础。本文主要结论如下:对于紧口服装衣下水平空气层:(1)过渡季节户外3种不同环境温度16.5℃、20.3℃、21.3℃下,本文提出的水平方向单层服装传热模型计算的总得热要高出总散热3%~9%,得热部分中太阳辐射得热占比最大,为24.18%~29.09%;失热部分中该辐射制冷面料对大气窗口的辐射散热占比最大,为21.68%~28.9%。该传热模型对于分析户外环境对服装表面温度的影响是合理的,且误差不大于10%。(2)在本实验工况下:I随着环境气温的增加,辐射制冷面料表面的导热(对流)、辐射热流量和总热流量都会降低,这是因为环境温度的升高,造成换热两表面的温度差值减小,热量的驱动力下降。II服装外表面的辐射热随太阳照度的增加而增加,但是导热项是随太阳照度的增加而有所降低,因为服装外表面温度随太阳照度增加,服装表面温度增大,与皮肤的温度的差值减少,导热的驱动力下降。总得热量是较为稳定的。III环境风速小于1.1m/s时,服装外表面温度受环境风速影响较小,对流传热系数变化不大;在环境风速大于1.1m/s时,随着环境风速的增加,服装外表面温度随之降低,且降幅较大。此时面料外表面对流系数增大,面料外表面的总体散热量会增加。(3)在3种不同距离5mm、10mm、15mm的水平空气层方向,温度随着空气层距离的增加而线性的减少;这也证实了沿空气层距离的温度分布的一维性质,符合以导热为主要传热方式的温度特征。衣服内空气层的温度由热传导控制。此外,本文提出的单层服装传热模型所预测的温度和实验温度具有很好的相关性,预测值和实验值之间的平均温度差小于1℃。(4)采用辐射制冷面料的紧口防护服,其表面温度和水平空气层内的温度均低于同类工况下普通面料服装的温度。空气层内的温度梯度也大于普通面料服装。对于宽松服装衣下竖直空气层:(1)与紧口服装相比,由于宽松服装衣下空气层内对流作用的加强,其空气层内的传热方式不再是以导热为主,而是以对流为主。(2)人体背部衣下空气层温度往往是上部温度高,底部温度最低,底部为空气进口,加快了热量散发,空气上升吸收皮肤热流造成上部温度高。竖直空气层内部空气流速为中间速度高,向两边依次递减。环境温度越低,皮肤表面与服装表面温度差越大,皮肤表面温度也会降低;皮肤表面总热通量随着空气层高度的增加而降低,空气层高度越低,人体散热能力越强。(3)服装表面平均温度值随空气层宽度的增加而降低。当空气层厚度小于12mm时,温度下降幅度较小;当衣下空气层厚度大于12mm时,温度下降幅度较大。
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