低温着装下人体与环境间热传递特性的CFD研究

这篇研究通过建立基于真实人体扫描图像的三维热调节模型，结合计算流体力学（CFD）数值模拟，系统分析了低温环境下人体-服装-环境的热传递特性。研究将人体划分为核心层、等效层、皮肤层和服装层，探究了服装表面热传递、皮肤温度变化规律等关键参数，并通过实验验证了模型的准确性（最大相对误差3.43%）。该模型为低温环境人体热舒适性研究、功能性服装设计等领域提供了重要理论支撑。

　　

引言

数值化人体建模是航空航天、建筑设计、生物医学等领域的重要研究方向。在低温环境下，人体通过血管收缩、寒颤产热等生理机制维持核心温度稳定，而服装作为热阻介质对热平衡起关键作用。本研究基于真实人体扫描数据，建立了包含12个解剖分区的三维热调节模型，填补了0°C–14°C环境温度研究的空白。

研究方法

模型构建

通过MATLAB灰度处理获取人体边界坐标，在Ansys中建立四层模型（核心层、等效层、皮肤层、服装层），并简化手指、腋窝等复杂结构。服装物理参数通过瞬态热线法实测，例如冬季服装热导率为0.042–0.065 W/(m·K)。

控制方程

核心层热平衡方程（式1）：

C_p(i,1)dT(i,1)/dt = Q(i,1) ? Q_b(i,1) ? Q_c(i,1) ? RES(i,1)

其中，Q_b为血液对流换热，Q_c为组织导热。低温下代谢率修正公式（式7）：

ΔQ(i,j) = Q₀(i,j)[2^0.1(T?T₀) ? 1]

实验验证

采用WDS温度传感器测量局部皮肤温度，与模拟结果对比显示：头部误差最大（受无服装覆盖影响），胸腹部误差最小（平均1.2%）。服装热阻R_t在0.016–0.026 m²·K/W间波动，其中封闭空气层R_a占比23%–41%。

结果分析

温度分布

在0°C环境中，服装表面最高温出现在腹部（约25°C），而肢体末端温度较低（如手指仅18°C）。皮肤温度分层明显，腋窝因紧密接触达36°C，与实测腋温一致。

热阻特性

服装固有热阻R_i对保温贡献主导，其值稳定在0.013–0.018 m²·K/W。当环境温度从0°C升至14°C时，服装表面均温上升2.35°C，但热流变化在8°C后显著增大。

生理响应

等效层热源范围显示：头部产热22.04–43.54 W，四肢受环境影响波动达3.38°C，而胸腹部仅变化0.94°C，印证了近心区域的温度稳定性。

结论与展望

模型最大相对误差3.43%，能准确预测低温环境人体热响应。未来可增加受试者数量，并研究动态环境下汗液蒸发的影响。该成果为极地作业、医疗保温等领域提供了可扩展的仿真框架。