人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统及控制方法与流程
本发明涉及人体热防护科学技术领域，特别涉及一种人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统及控制方法。
背景技术：
近年来，人们对于耐热性和热舒适性的要求越来越高。与此同时，在火灾或冰冻灾害等极端事故条件下，更好地保持人体体温变得十分重要。基于此，近十年来科学界对于人员体表换热的细节有着极大的兴趣。根据传热学的知识，人体与空气环境的热交换方式主要有对流换热和辐射换热两种，其中对流换热的影响因素最广泛。而人体与环境间的对流换热系数(convectiveheattransfercoefficient)表征了空气流与皮肤表面的换热能力，进而能够有效的反应热环境下人体的热损失强度，是热舒适评价和极端温度热安全评价中重要的物性参数。理论层面上，牛顿冷却定律只是对对流换热系数h的一个定义式，并没有揭示出与影响它的有关物理量之间的内在联系，这非常不利于工程方面的设计。所以，通过实验的方式明确对流换热系数的测量方法及其影响因素是目前最为有效的一个方法。
目前这一类实验均采用将假人置入密闭气候舱内，通过风洞等仪器设备的调节，实现不同的环境设定。由于实验过程中假人始终处于原地静止或原地摆动四肢的状态，因此操作起来比较简单。另一方面，由于测量过程中暖体假人处于稳态，所以实验结果也相对准确。但存在的问题是，仅仅通过风速来代替人运动所引起的相对速度，未能很好的模拟实际情况中人运动这一状态。可以说，目前相关领域内还没有提供一种能够有效的在人员运动状态下测量人体与环境对流换热系数的技术。
技术实现要素：
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统，该系统能够准确有效地测量人员运动状态下各个身体部分的对流换热系数，可用于研究人体运动条件下人体与环境间对流换热系数的影响因素及影响效果。
本发明的第二个目的在于提出一种人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统，包括：运动轨道、定速电机、第一及第二热电偶测量系统、风速测量系统及数据采集系统，其中，暖体假人放置在所述运动轨道上，所述定速电机为所述暖体假人提供定速驱动，所述第一热电偶测量系统位于所述暖体假人预设距离处，所述第二热电偶测量位于实验环境周边墙壁上，所述风速测量系统位于所述运动轨道周边的直立圆杆上，所述数据采集系统位于所述运动轨道的一侧；所述第一及第二热电偶测量系统分别用于测量所述实验环境的空气温度及周边墙壁温度，所述风速测量系统用于检测所述实验环境的空气流速度，所述数据采集系统用于检测所述暖体假人的皮肤温度及发热量数据。
另外，根据本发明上述实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述第一及第二热电偶测量系统均为k型热电偶测量系统，所述第一热电偶测量系统为触点式热电偶测量系统，所述第二热电偶测量系统为贴片式热电偶测量系统，其中，所述贴片式热电偶测量系统包括8个k型贴片式热电偶及第一温度数据采集仪，所述k型贴片式热电偶位于所述实验环境周边墙壁，在纵向空间中均匀分布，用于测量所述实验环境的周边墙壁温度；所述触点式热电偶测量系统包括8个k型触点式热电偶及第二温度数据采集仪，所述k型触点式热电偶位于所述实验环境预设距离处，在纵向空间中按预设的人体各部位平均高度信息进行排布，用于测量所述实验环境的周围空气温度。
在一些示例中，所述风速测量系统包括18个一维风速仪探头及一个风速数据采集仪，其中，所述一维风速仪探头位于所述运动轨道周边的3个直立圆杆上，每个圆杆上垂直均匀分布两个风速测量点，每个风速测量点上安装3个所述一维风速仪探头，用于测量该点三个方向上的空气流速度，所述3个直立圆杆均匀分布在所述运动轨道的同一侧。
根据本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统，通过建立适用于人体运动状态下人体与环境间的对流换热系数的获取方法，能够准确有效地测量不同运动特征下人体与环境间的对流换热系数，同时可有效地用于研究人体运动状态下影响人体与环境间对流换热系数的主要因素(如：运动速度、运动方向及人体与环境间温差等因素)及规律。
为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法，包括以下步骤：s1：将所述暖体假人连接到所述数据采集系统，并放置在所述运动轨道上，调整所述定速电机的频率，以便所述暖体假人进行匀速运动；s2：开启所述第一及第二热电偶测量系统和风速测量系统，并校准所述第一及第二热电偶测量系统和风速测量系统的时间；s3：在所述风速测量系统测得空气流速度小于预设空气流速后，判定流场已经达到稳定，此时启动暖体假人使其运动，并记录所述暖体假人的启动时刻；s4：当所述暖体假人到达终点时，制动所述暖体假人，同时记录制动时刻，其中，在所述暖体假人的运动过程中，所述第一及第二热电偶测量系统、风速测量系统及暖体假人数据采集系统实时记录环境温度、墙壁温度、空气流速度及人体皮肤温度及发热量；s5：当运动停止后，等待预设时间，再将所述暖体假人退回至起点处；s6：根据所述第一及第二热电偶测量系统、风速测量系统及暖体假人数据采集系统实时记录环境温度、墙壁温度、空气流速度及人体皮肤温度及发热量，得到所述暖体假人与环境间的对流换热系数。
另外，根据本发明上述实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述s6具体包括：所述暖体假人与环境间的对流换热系数可以通过人体皮肤的热平衡方程得到，具体计算公式如下：
其中，tsk、ta和tw分别是皮肤温度、空气温度及墙壁温度，εsk为假人黑度，σ为黑体辐射常数，q为人体与空气的总换热流密度，其中，
在所述暖体假人运动的非稳态条件下，需要解决皮肤层的非稳态导热问题来得到q的值，首先通过建立一维非稳态热传导方程，求解皮肤层的温度分布，将身体各部位分别近似为一维平板模型和一维圆柱模型，采用有限差分法求解微分方程如下：
如上述公式(2-2)所示为一维平板近似的皮肤导热方程，其中，u(x)为皮肤层温度分布，
在求解出节点温度场后，通过以下公式(2-3)得到皮肤表层处与环境间的换热量q，并带入上述公式(2-1)求解对流换热系数，皮肤表层处与环境间的换热量q的具体计算公式如下：
如以下公式(2-4)所示为一维圆柱近似的皮肤导热方程，其中，u(x)为皮肤层温度分布，
在求解出节点温度场后，通过以下公式(2-5)得到皮肤表层处与环境间的换热量q，并带入式(2-1)求解对流换热系数，所述公式(2-5)具体为：
在一些示例中，还包括：在流场恢复稳定后，在每种工况下设定重复执行所述步骤s1-s5，以得到获得人体与环境间对流换热系数。
在一些示例中，具体包括：改变人员运动速度，重复执行所述步骤s1至s5，以得到所述暖体假人与环境间对流换热系数。
在一些示例中，具体包括：改变人员运动方向，重复执行所述步骤s1至s5，以得到所述暖体假人与环境间对流换热系数。
在一些示例中，具体包括：改变所述暖体假人与环境温度的温差，重复执行所述步骤s1至s5，以得到所述暖体假人与环境间对流换热系数。
根据本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法，能够准确有效地测量不同运动特征下人体与环境间的对流换热系数，同时可有效地用于研究人体运动状态下影响人体与环境间对流换热系数的主要因素(如：运动速度、运动方向及人体与环境间温差等因素)及规律。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法的流程图；
图3是根据本发明一个实施例的人员运动状态下对流换热系数与运动方向角的拟合关系示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统及控制方法。
图1是根据本发明一个实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的结构示意图。如图1所示，该人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统包括：运动轨道2、定速电机3、第一热电偶测量系统4、第二热电偶测量系统5、风速测量系统6及数据采集系统7。
其中，暖体假人1放置在平直的运动轨道2上，定速电机3为暖体假人1提供定速驱动，第一热电偶测量系统4位于暖体假人1预设距离处，第二热电偶测量5位于实验环境周边墙壁上，风速测量系统6位于运动轨道周边的直立圆杆上，数据采集系统7位于运动轨道2的一侧。
第一热电偶测量系统4及第二热电偶测量系统5分别用于测量实验环境的周围空气温度及周边墙壁温度，风速测量系统6用于检测实验环境的空气流速度，数据采集系统7用于检测暖体假人1的皮肤温度及发热量数据。
在本发明的一个实施例中，例如，第一热电偶测量系统4及第二热电偶测量系统5均为k型热电偶测量系统。更为具体地，第一热电偶测量系统4为触点式热电偶测量系统，第二热电偶测量系统5为贴片式热电偶测量系统。
其中，结合图1所示，贴片式热电偶测量系统(第二热电偶测量系统5)包括8个k型贴片式热电偶及第一温度数据采集仪，k型贴片式热电偶位于实验环境周边墙壁，在纵向空间中均匀分布，用于测量实验环境的周边墙壁温度。触点式热电偶测量系统(第一热电偶测量系统4)包括8个k型触点式热电偶及第二温度数据采集仪，k型触点式热电偶位于实验环境预设距离处，在纵向空间中按预设的人体各部位平均高度信息进行排布，用于测量实验环境的周围空气温度。
其中，在上述实施例中，例如，暖体假人1共分为20个身体部位，基于此，预设的人体各部位平均高度信息(即各部位划分方法及相应平均高度)如下表1所示。
表1
进一步地，在本发明的一个实施例中，结合图1所示，例如，风速测量系统6包括18个一维风速仪探头及一个风速数据采集仪。其中，一维风速仪探头位于运动轨道2周边的3个直立圆杆上，每个圆杆上垂直均匀分布两个风速测量点，每个风速测量点上安装3个一维风速仪探头，用于测量该点三个方向上的空气流速度，3个直立圆杆均匀分布在运动轨道2的同一侧。
根据本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统，通过建立适用于人体运动状态下人体与环境间的对流换热系数的获取方法，能够准确有效地测量不同运动特征下人体与环境间的对流换热系数，同时可有效地用于研究人体运动状态下影响人体与环境间对流换热系数的主要因素(如：运动速度、运动方向及人体与环境间温差等因素)及规律。
本发明的进一步实施例提出了一种人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法。其中，该人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统例如为本发明上述任意一个实施例所描述的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统。
基于此，结合图2所示，该人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法包括以下步骤：
步骤s1：将暖体假人连接到数据采集系统，并放置在运动轨道上，调整定速电机的频率，以便暖体假人能够进行匀速运动。
步骤s2：将第一及第二热电偶测量系统和风速测量系统放置于上述设定的位置，开启第一及第二热电偶测量系统和风速测量系统，并校准第一及第二热电偶测量系统和风速测量系统的时间。
步骤s3：在风速测量系统测得空气流速度小于预设空气流速后，判定流场已经达到稳定，此时启动暖体假人使其运动，并记录暖体假人的启动时刻。具体地，预设空气流速例如为0.1米/秒。
步骤s4：当暖体假人到达终点时，制动暖体假人，同时记录制动时刻，其中，在暖体假人的运动过程中，第一及第二热电偶测量系统、风速测量系统及暖体假人数据采集系统始终实时记录环境温度、墙壁温度、空气流速度及人体皮肤温度及发热量。
步骤s5：当运动停止后，等待预设时间，再将暖体假人退回至起点处。其中，预设时间例如为2分钟。
步骤s6：根据第一及第二热电偶测量系统、风速测量系统及暖体假人数据采集系统实时记录环境温度、墙壁温度、空气流速度及人体皮肤温度及发热量，得到暖体假人与环境间的对流换热系数。
在本发明的一个实施例中，步骤s6具体包括：暖体假人与环境间的对流换热系数可以通过人体皮肤的热平衡方程得到，具体计算公式如下：
其中，tsk、ta和tw分别是皮肤温度、空气温度及墙壁温度，其单位为℃；εsk为假人黑度，其取值例如为0.82；σ为黑体辐射常数；q为人体与空气的总换热流密度，其单位为j/m2。其中，在暖体假人运动的非稳态条件下，需要解决皮肤层的非稳态导热问题来得到q的值，首先通过建立一维非稳态热传导方程，求解皮肤层的温度分布，将身体各部位分别近似为一维平板模型和一维圆柱模型，采用有限差分法求解微分方程如下：
如上述公式(2-2)所示为一维平板近似的皮肤导热方程，其中，u(x)为皮肤层温度分布，
在求解出节点温度场后，通过以下公式(2-3)得到皮肤表层处与环境间的换热量q，并带入上述公式(2-1)求解对流换热系数。具体地，皮肤表层处与环境间的换热量q的具体计算公式如下：
如以下公式(2-4)所示为一维圆柱近似的皮肤导热方程，其中，u(x)为皮肤层温度分布，
在求解出节点温度场后，通过以下公式(2-5)得到皮肤表层处与环境间的换热量q，并带入式(2-1)求解对流换热系数，公式(2-5)具体为：
进一步地，在本发明的一个实施例中，该人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法，还包括：在流场恢复稳定后，在每种工况下设定重复执行步骤s1-s5，以得到获得人体与环境间对流换热系数，从而避免由于操作误差带来的错误。具体包括以下几方面步骤：
1.改变人员运动速度，重复执行步骤s1至s5，以得到暖体假人与环境间对流换热系数。
2.改变人员运动方向，重复执行步骤s1至s5，以得到暖体假人与环境间对流换热系数。
3.改变暖体假人与环境温度的温差，重复执行步骤s1至s5，以得到暖体假人与环境间对流换热系数。
在本发明的具体实施例中，人员运动速度例如分为五种情况，分别设定为0.2m/s、0.5m/s、0.8m/s、1.1m/s和1.3m/s。人员运动方向例如有八种情况，分别设定为0°(假人面向轨道前进方向)、45°，90°(假人的右侧面向轨道前进方向)，135°，180°，225°，270°及315°共八个方向。人体与环境间的温差例如有四种情况，通过调节环境温度实现，分别设定为4℃，8℃，12℃和16℃。
基于此，图2为本发明一个具体实施例中人员运动状态下对流换热系数与运动方向角的拟合关系示意图。如图2中的测试结果所示，对流换热系数随运动速度的增大而增大，两者呈现幂指数关系，四肢部位的对流换热系数明显高于躯干部位，且较之前的风洞实验结果受相对风速的影响更为平缓。对于运动方向角因素，身体迎风部位的对流换热系数明显高于背风部位，对流换热系数的最大值一般出现在这一部位处于迎风状态时，最小值出现在这一部位处于背风状态时；对于四肢部位，迎风和0°角时对流换热系数均较大，背风状态最小。真实运动实验较风洞实验对对流换热系数的影响更为明显。温差因素对对流换热系数的影响受到速度因素的耦合影响，一般是随温差的增大而减小。但当速度较大时，对流换热系数与温差呈负相关。
需要说明的是，本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法的具体实现方式与本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的具体实现方式类似，具体请参见系统部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。
综上，根据本发明实施例的人体运动状态下对流换热系数的实验测试系统的控制方法，能够准确有效地测量不同运动特征下人体与环境间的对流换热系数，同时可有效地用于研究人体运动状态下影响人体与环境间对流换热系数的主要因素(如：运动速度、运动方向及人体与环境间温差等因素)及规律。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！