在不同风向条件下，对行走的人类模型局部对流热传递系数进行的数值研究

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Numerical investigation of local convective heat transfer coefficients for a walking human model under varying wind directions

　　摘要
对流热传递系数是影响行人热舒适度的关键因素。本研究采用基于计算流体动力学（CFD）技术的人体-环境接口模型来研究对流热传递特性。该模型采用标准化的人体模型，并将人的步态简化为周期性摆动运动。与实验测量结果相比，最大相对偏差为14%，平均偏差约为5.75%。基于这个经过验证的数值模型，系统地研究了行走中人体的对流热传递特性。结果表明，行走速度是主要的影响因素。当风速U从0.5 m/s增加到1.3 m/s时，总体对流热传递系数hc增加了约70-90%。相比之下，环境温度Ta对hc的影响有限。背景风速和风向对不同身体部位的影响存在显著差异。近端肢体和躯干对风向变化更为敏感，而远端部位通常表现出较低的敏感性，变化范围在0.1%-4%之间。在风向为180°的情况下，一些远端肢体部位的对流热传递系数略有增加。此外，肢体摆动在不同风向下的遮蔽效果减弱，导致身体左右两侧的对流热传递系数几乎对称，最大差异约为1.6 W/(m2·K)。根据CFD结果，建立了一个预测对流热传递系数的关联模型，其中考虑了风速U、风向V和风角θ作为影响参数。

引言
人体通过対流、辐射、蒸发和传导过程与周围环境持续进行热量交换[1]。在这些机制中，对流热传递是显热交换的主要组成部分，并且在热舒适度模型（如PMV和SET）中是一个关键参数[2,3]。因此，对流热传递系数的准确性直接影响人体热平衡和热舒适度的预测。准确确定对流热传递系数对于评估热环境和预测热舒适度至关重要。

为了确定对流热传递系数，大量的实验研究主要集中在静止的人体上。Ishigaki[4]使用热等效球体和圆柱体模型获得了总体和局部的对流热传递系数。De Dear[5]通过风洞实验系统地研究了风速和风向的影响，证明了接近气流条件对人类对流热传递的显著影响。人体姿势和局部身体几何形状也被确定为影响对流热传递的重要因素。Kurazumi[6]、Ichihara[7]和Zhou[8]建立了不同姿势下对流热传递系数与风速之间的关联。Viswanathan[9]通过考虑体重指数（BMI）和高度的变化，研究了身体形状对对流热传递过程的影响。Kandjov[10]和Xu[11]都研究了环境因素（如海拔和大气压力）对人类热传递特性的影响。Zhou[12]发现，高湍流风可以减少空气温度的影响，并补充了混合对流条件下的对流热传递系数测量数据。Xu[13]研究了实际非均匀气流条件下的对人体对流热传递的影响，包括类似自然通风和风扇生成的气流环境。

随着计算流体动力学（CFD）的快速发展，数值模拟已成为研究人体对流热传递的有效工具。CFD能够详细表征复杂环境条件下人体周围的风场和热场。Murakami[14]分析了不同来流条件下人体周围的风场结构。Xu[2]获得了站立和坐姿下更准确的对流热传递系数，并将其纳入改进的人体体温调节模型。Zhou[15]再现了真实的室外风和湍流条件，表明忽略自然风的瞬态特性可能会使总体对流热传递系数高估多达40%。此外，Xu[16]和Yang[17]报告称，随着风速的增加，湍流强度对对流热传递的影响变得越来越明显。Gao[18]进一步量化了空气温度、风速和风向的耦合效应，而Li[19]将分析扩展到极端风况。Zhang[20]和Alali[21]分别对手部和头部进行了详细研究，揭示了同一身体部位内局部热传递特性的区域差异。

总体而言，这些研究大大加深了人们对人体与热环境之间对流热传递机制的理解。尽管在静止人体研究方面取得了显著进展，但日常生活中个体更常暴露在动态条件下，行走是人类活动的主要形式。与静止状态相比，行走不仅涉及全身平移，还涉及周期性的肢体摆动[22]。上下肢的周期性运动不断改变人体周围的边界层和局部流动结构，从而导致局部相对风速随时间变化。因此，行走个体的对流热传递特性与静止个体有显著不同。近年来，越来越多的研究致力于探究行走条件下的对流热传递。Oliveira[23]使用在受控相对气流条件下具有同步肢体运动的移动热体模型，证明肢体摆动使总体对流热传递系数从约3.5 W/(m2·K)增加到4.5 W/(m2·K)。为了进一步研究实际身体平移的影响，Luo[24]将人体模型安装在一个电动导轨系统上，平移速度范围为0.2至1.3 m/s，观察到实际平移与等效相对气流条件下的对流热传递存在显著差异。最近，Wang[25]通过同时考虑身体平移、相对气流和肢体摆动，系统地比较了真实行走和模拟行走。然而，这些研究主要关注行走速度和肢体运动的影响，而多方向背景风对局部对流热传递的影响尚未得到充分研究。因此，现有发现适用于真实室外和自然通风环境的可靠性仍不确定。

总之，关于行走过程中人类对流热传递的研究仍然有限，特别是关于环境参数（包括空气温度、背景风速和风向）对对流热传递系数的耦合效应。此外，肢体摆动条件和不同环境参数下局部对流热传递系数的变化特性也尚未得到充分理解。因此，本研究旨在系统地研究空气温度、背景风速和风向对行走行人对流热传递特性的影响，从而提高人体热量交换和热舒适度的预测精度，并为热环境评估和设计提供理论支持。本研究的主要目标如下：
1. 采用简化的行走姿势，并使用动态网格方法再现肢体摆动，以建立和验证用于模拟行走时人体与周围环境之间热传递的数值模型。
2. 基于建立的数值模型，系统地研究不同风向下环境参数对总体和局部对流热传递系数的影响。
3. 分析不同环境参数在不同风向下的作用机制，确定影响对流热传递的主要因素，并开发并验证了考虑不同风向下肢体摆动的对流热传递系数的经验关联。

计算域和网格
如图1所示，计算域被定义为一个六面体体积，尺寸为6.7 m × 3.7 m × 3.0 m，代表典型的室内气流环境。人体模型放置在距地面0.2 m的高度，距空气入口下游3.8 m的位置。
为了确保计算域大小不会影响数值结果，使用放大的计算域（5H × 10H × 20H）进行了域灵敏度分析，其中H代表人体模型的高度。

网格独立性验证
为了尽量减少网格分辨率对模拟精度的影响，采用了Roache提出的网格收敛指数（GCI）方法来评估网格独立性[30]。通过改变体积网格分辨率，生成了三组不同分辨率的计算网格，分别表示为N1（260万）、N2（650万）和N3（2220万）。选择了整个身体、躯干和右前臂区域的平均表面对流热传递系数。

不同行走速度和空气温度下的对流热传递系数
先前的研究表明，肢体摆动对躯干区域没有显著影响[25]。在本研究中，头部和躯干被视为一个整体部分。由于手的正面投影面积相对较小，且其对流热传递强度与前臂相似[25]，因此将前臂和手作为一个组合部分进行建模。通过面积加权平均每个部分的对流热传递系数得到总体对流热传递系数。

行走速度和空气温度对对流热传递的影响
空气温度对对流热传递的影响与行走速度密切相关，增加行走速度在不同身体部位之间表现出显著差异。一方面，在U = 0.5 m/s时，当某些肢体的运动方向与行走方向一致时，局部相对速度接近0，导致Ar显著增加。例如，上肢、大腿和小腿的Ar值分别达到2.77、1.40和...

结论
本研究采用了三维非稳态RANS框架下的SST k-ω模型，并通过实验验证了该模型的准确性。基于SST k-ω模型的验证性能，随后使用该模型进行了不同热环境条件下行走行人周围对流热传递的CFD模拟。研究了热环境参数（包括行走速度U、背景风速V和空气温度Ta）的影响。

作者贡献声明
周启贵：撰写 – 原稿、验证、软件、方法学、研究
苏晓文：撰写 – 审稿与编辑、方法学、资金获取
袁彦萍：撰写 – 审稿与编辑、方法学
陈登凯：撰写 – 审稿与编辑
江福建：撰写 – 审稿与编辑

西南交通大学机械工程学院，中国成都610031