计算流体力学在服装传热性能评价中的应用

陈慧臻,戴宏钦,潘姝雯,胡珏,陈曦

摘 要：为突破传统实验手段与一维数学模型的局限，一些研究者提出基于计算流体力学模拟人体-服装-环境系统的热量流动与传递过程，通过计算皮肤温度、传热系数等参数的方式评价服装的传热性能。文章概述了仿真方法解决服装传热问题的流程，揭示服装及人体几何模型建立、计算模型与边界条件设定的关键;从着装人体、服装结构、防护服装功能角度回顾了传热问题的国内外研究进展;总结了常用人体热生理模型的特征，介绍了热调节-CFD耦合系统在服装传热性能评价中的应用。现有模拟方法依然存在难以完全还原纺织材料、衣下空间分布、人体热反应等真实特性的问题，建议将动网格、用户自定义函数、数值模型耦合系统等作为深入研究方向，提高仿真评价的准确性。

关键词：计算流体力学（CFD）;服装;热传递;热生理;耦合系统

中图分类号：TS941

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2022）02-0018-09

Application of CFD in heat and flow transfer performanceevaluation for clothing

CHEN Huizhena， DAI Hongqina，b， PAN Shuwena，b， HU Juea， CHEN Xia

（a. College of Textile and Clothing Engineering; b. National Engineering Laboratory forModern Silk， Soochow University， Suzhou 215123， China）

Abstract： To break down the limitations of traditional experimental means and one-dimensional mathematical models， some researchers proposed to simulate the process of heat and flow transfer in human-clothing-environment system based on computational fluid dynamics. Through the calculation of skin temperature， heat transfer coefficient and other parameters， the heat transfer properties of clothing can be evaluated. This paper summarizes the procedure of simulation to solve clothing heat transfer issues， reveals key points on establishing geometries of clothing and human body， calculating models and setting boundary conditions; reviews the progress of heat transfer research at home and abroad from the perspectives of human body， clothing structure， and protective clothing functions; concludes the characteristics of common human thermal physiological models， and introduces how to construct thermal regulation-CFD coupling system in the evaluation. It is found that existing simulation methods are still difficult to completely restore the real characteristics of textile materials， clothing space distribution， and human thermal reaction. Finally， this paper proposes recommendations of conduct in-depth research on dynamic grids， user-defined functions， and numerical model coupling systems so as to enhance the accuracy of simulation evaluation.

Key words： computational fluid dynamics（CFD）; clothing; heat transfer; thermophysiology; coupling system

人體散热过程复杂，肌肉温度对流传至体核、热传导至皮肤与外环境，深部体温对流传至皮肤，皮肤与环境间通过辐射与对流传热，当平均皮肤温度上升至34.5℃时，汗液蒸发成为热量散发的重要途径[1]。在人体-服装-环境系统（以下简称HCE系统）的热量流动与传递中，服装作为媒介，不论是日常穿着还是面对繁重的工作，抑或是提供极端环境中的保护，都应维持人体舒适，预防热应激等危害。

多数研究者围绕实验与纯数值方法展开服装传热性能的探讨。传统实验手段基于五级评价系统测量服装与面料的热、湿阻，收集真人实验生理指标判断人体热湿舒适度[2]，但这些方法受人体安全与环境条件的限制，存在周期长、成本高的局限，尤其是防护类服装。微分方程求数值解多基于一维模型[3-5]，难以整体评估通风、开口等因素对着装环境的影响。物理实验与数学方法的局限使研究者将目光投向了计算流体力学仿真方法。计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）是基于计算机仿真与可视化处理探索流体流动、传热等现象的综合学科，能够通过模拟HCE系统的稳态或动态传热过程，求解各种工况下着装人体的传热系数[6]和服装衣下微环境温度分布[7]等问题，进而完成服装传热性能的评价。本文简述了CFD仿真流程，回顾了HCE系统热量流动传递数值模拟的研究成果，主要从着装人体表面、服装结构、防护服装热性能3个方面展开论述;介绍了典型人体热调节模型及耦合系统的运用，最后总结了现有仿真方案的不足并指出未来研究的方向。

1 服装传热问题的CFD仿真流程

利用CFD软件解决服装传热问题简要流程如图1所示[8]。以有限元体积法为例，首先将待研究的服装传热现象抽象为简化的系统传热问题，明确模拟计算的物理量;根据各类服装的特征构建相应的服装、人体几何模型，抽取适合的计算域并划分满足质量要求的计算网格;设置计算模型、边界条件、求解参数等信息，软件辅助求解质量、动量、能量守恒前提下的微分方程;获得的数据经可视化处理为图表，用于对比验证与分析，为增加模拟准确度或深入研究而改变模型等参数，则重复上述步骤。

1.1 计算域构建与网格划分

服装传热传质仿真计算常用域包括环境域、衣下内流域，以及服装层、人体等固体域。常用模型分为三类，如图2所示。一是二维或三维简化几何模型，如Lim等[9]参考Stolwijk建立的分段同心圆柱体着装模型，庞丽萍等[10]将人体抽象为盒状。二是具有曲面特征的参数化模型，郭庭辉[11]结合人体围度尺寸，通过SolidWorks软件曲面建模操作构建的上半身躯干模型，考虑厚度较小的服装层对整体网格质量的影响，忽略了内外基础服装，仅以沿曲面布置的三维管路体现紧身结构的液冷服造型。三是基于三维扫描或CLO3D软件建立的模型，如Voelker等[12]、Dixit等[13]、Cheng等[14]、Tian等[15]构建的裸体与着装人体三维模型，保留了相对多的服装与人体特征;这类技术是将扫描点带入辅助设计软件中，创建身体表面与布料层，然后将几何体输出到CFD软件预处理程序中进行网格生成，目前应用较为广泛。

计算域形状影响网格质量，进而干扰仿真准确度，Zhang等[16]在相同条件下比较盒状、带手臂的球状/圆柱状与数字化真实人体模型计算全身对流传热系数的差异，发现与De Dear等[17]的假人试验数据相比，盒状模拟准度最差，后两者趋于一致，并指出手臂结构的重要性。精细的模型普遍要求较高的解算能力，一味追求全尺度造型极有可能导致计算灾难;一般情况，利用对称性、降维、流动周期性简化的计算域满足目标精度即可视为有效。

1.2 计算模型与边界条件设定

CFD軟件搭载了各类计算模型，服装传热过程涉及的物理现象可以用其中一些模型与边界条件描述限定，如表1所示。注意衣下空气自然对流与强制对流、层流与湍流判断，纺织材料、身体部位等介质比热容、导热系数、密度赋值，考虑各组分含量与可能存在的化学反应，环境参数设定。

1.3 计算后处理与仿真结果检验

CFD-post等后处理软件可将数据转换为可分析的图表，例如人体周围热场云图[15]、服装-人体微环境气流温度的流线图[9]、热通量实时变化的折线图[20]等。仿真结果可信度检验一般通过统计学手段与实验对比进行。Sheng等[22]对比构建的环境-防寒服-人体系统热传递模拟值与相同条件下LD-1型服装保温仪的实际测量值，发现体表热流量和防寒服热阻的最大差异分别低于7.4%和7.8%，确认二者具有良好一致性后，修改相关参数进一步研究了不同冷环境、风速、服装厚度对防寒服保温性能的影响，有效评估2met和4met代谢水平下着不同厚度防寒服的人体局部热舒适情况。

2 基于CFD的HCE系统热量流动传递模拟

在基于CFD的HCE系统热传递研究中，设置不同环境工况与不同材质、结构、功能的服装进行模拟，可以测算着装人体与环境的换热量，计算对流、辐射换热系数;预测服装微环境温度、皮肤温度分布，判断人体热湿舒适状态;简单、高效地完成服装传热性能的初步评价，辅助优化设计。

2.1 人体表面与环境间的热交换预测

对流放热使大气中的人体包裹在边界层组成的微气候中，Murakami等[23]指出，脚部对流边界层厚度约5cm，体表向上厚度不断增加，颈部为19 cm，胸部和背部热损失较小。边界层的空气温度和流速与周围环境明显不同，对小气候具有影响。

2.1.1 裸装人体与环境的热交换

人体各部分的形状和大小影响微气候热属性。一般情况人体对流散热以自然对流为主，温差越大，微气候空气流速越大，人体各段传热系数越高[24]。人们偶尔面临10m/s以上的强制对流，Li等[18]应用CFD模拟风洞实验，发现室外均匀风速12.67 m/s时，面对和穿过风的全身对流换热系数分别为71W/（m2·K）和76W/（m2·K）;胸部与头部的对流换热系数与相同环境下皮肤温度恒定为（33.7±1）℃的暖体假人风洞试验测量值差异显著，头部形状越复杂，引起应变率越大，越易扩大这种差距;中、高风速下剪切应力输运（Shear stress transport k-omega， SST k-ω）湍流模型计算值正对风误差低于5%，侧对风约小于10%，具有合理的精确度。汽车驾驶舱内环境影响驾驶员工作效率，Dixit等[13]结合CFD与简化热调节生物热（Simplified thermo-regulatory bio-heat，STB）方程求解，捕捉到座椅接触区域湿气积聚、温度升高，推断25℃、50%RH的环境更满足人体动态热舒适要求。

2.1.2 着装人体周围流场、热场分析

服装包覆于皮肤表面，改变轮廓，影响表面气流。Defraeye等[25]评估了着自行车服运动员的19个身体部位在3种骑行姿势下的气流阻力与对流传热系数，发现头部、四肢风阻较大，四肢的对流热损失较高，研究利于后续骑行服装、装备热湿优化。Kong等[26]将服装简化为具有一定热阻的光滑无孔层，模拟低温室内着装人体的局部供暖，发现热空气在腿、脚部周围时取暖效率更佳，该方法不采用对流加热，以传导和辐射为主;在约19℃室内环境中，面部、头部和大腿热通量计算值与相同加热条件假人测量值有很好的一致性，前臂、小腿和脚部位差异高于20W/m2，这种差异可能来源于真实情况中服装材料的透气传热作用、空气层的流动状态变化、服装层热阻的非均匀分布，也可能由于暖体假人无法主动热反馈，造成局部热源接近时，表面皮肤温度实际无法保持在相对恒定水平，与模拟设置差异过大。

2.2 服装结构对HCE系统热交换的影响

实际穿着中，人体与服装间存在不容忽视的空气层，由于空气的导热系数与纺织材料截然不同，松量收放、开口等服装结构变化直接影响衣下空气厚度、体积、位置、均匀性、形态等，从而影响气流传热机制，导致衣下微气候状态的改变[27]。Cheng等[14]结合23、30 ℃与40 ℃环境下受试者关键部位微气候温度测量数据，构建穿内、外衣裤的男性模型，模拟微环境间的传热物理现象，结果验证内衣的存在对空气层（尤其是上臂、前臂和大腿处）的平均温度有很大的影响，对年轻人与中年人有短时间内积聚代谢产热的作用，随着空气层厚度的增加，其温度也在不断变化。

当人体面对高温环境、高代谢水平或是低温环境高强度活动时，服装通风设计以增强对流、促进蒸发的方式成为热量散失的重要途径[28]。Lim等[9]认为户外运动服的通风缝隙作用远大于面料本身，因此模拟肩部、中后背和下背部开缝服装的内外空气流动传热，发现下背部开缝空气对流效果最佳，可降温2.1℃至4.3℃。Takada等[21]使用低雷诺数（Low reynolds number k-epsilon，Low Re k-ε）湍流模型探究几种强制对流和自然对流情况下的复杂形状空气层流动特征，并将恒定环境条件下穿有T恤的稳态暖体假人测量热流与相同条件下的CFD计算值进行了比较，认为二者具有良好的一致性，验证结果显示仿真模拟中忽略通风服装自身的透气性对皮肤表面热流的影响非常小;通过计算发现几种通风路径下，下摆通过气流最多，颈部气流几乎为零，服装出口气流区段渗入空气较少，单层T恤空气层的通风效应总体而言对体表热流影响不大。

2.3 防护服装传热性能的针对性评价

与上文提到的日常生活中常见的T恤、运动服、内衣等服装相比，冷却服、消防服等防护服装具有特殊性质，或通过额外手段如安装风扇影响微环境内的热量流动与传递以达到降温效果，或服装材料可能在系统热传递的同时与环境中某些成分互相作用导致燃烧等化学反应，由于穿着人员工作性质与环境特殊，真人实验往往难以开展，通过CFD模拟能够设置较为极端的环境条件，针对性地评估这类服装的特殊传热性能，利于防护服装优化设计与人体舒适分析。

2.3.1 冷却服装降温性能评价

吊扇、风扇、降温座椅等个人降温设备能够有效在30℃室内维持个体热舒适受到广泛关注，在服装上表现为风冷服、液冷服与相变降温服等[19]，职业服装如宇航服等因其工作性质也要求具有降温功能，为了控制成本与维护被试安全，研究者开始使用CFD仿真评价制冷效果，如表2所示。

2.3.2 消防服装热防护性能评价

热防护服是消防员与工人在高热环境下工作的重要防热屏障，为了在闪火与高强度的火焰对流和辐射热中保护人体免受伤害，热防护服织物的热物理特性、热防护服形态与衣下空气的隔热作用需要特别关注。

真实织物与人体的垂直气隙中存在明显的对流单元，Udayraj等[33]针对83kW/m2的热暴露开发织物-空气层系统的传导、对流和辐射共轭传热模型，发现垂直气隙方向具有更好的保护效果，火焰暴露强度的增加会削弱服装的热防护性能。模拟结果与Hsu等[34]的实验测量值对比，在火焰暴露的情况下织物前表面温度低于测量值，最大差异为8.2%，后表面温度10 s后二者趋于一致，差异低于6.6%;在热辐射的情况下前表面温度10 s后最大差异小于3.5%，热通量最大差异低于12%，认为数值模拟具有一定的准确性。这也证明一些常用的简化假设如忽略热防护服装衣下空气层对流、设置恒定的织物热物理特性，会导致系统传热分析和二次烧伤预测出现相当大的偏差。Talukdar等[35]则使用CFD求解Navier-Stokes和能量方程，研究台式热防护测试设备水平气隙的流动与传热，在气隙较窄时模拟结果相当接近实验值。

Tian等[15]建立全尺寸燃烧室与假人三维扫描模型，在人-热防护服-燃烧室系统瞬态传热计算中发现，6.35mm的气隙在阻热方面比单层服装起着更关键的作用;与燃烧假人实验室测试值相比，模拟热流分布更加对称，人体各部位热流平均差异为12.9 kW/m2，70%部位相对差异不超过20%，虽然存在右臂、左腿和前颈的局部较大差距，但仍满足标准ISO13506《防热和防火防护服-完整服装的试验方法-用装备仪器的假人对燃烧伤害的预测》与假人测试的要求。

3 人体热调节模型与CFD的耦合运用

CFD仿真中，人体热边界通常由表面温度与表面热流描述[36]。固定壁面温度无法反映环境与服装对人体的热作用，仅适合绝对舒适阶段，固定热流难以诠释长时间内局部热生理实时变化。在热反应模型的基础上发展CFD耦合系统，为确定服装、人与其周围环境之间的瞬时相互作用提供了可能。

3.1 典型人体热调节模型

热调节模型的核心思想可以概括为分段、分层，Gagge双节点模型[37]将人体简化为皮肤与核心层构成的同心圆柱体，测算均匀环境下的表面皮肤温度与体内产热、体外换热量。多节点模型伴随着双节点模型出现，Stolwijk模型[38]极大地影响了空间环境中防护服的设计，在其工作基础上，发展了一系列多节点模型，特征如表3所示。

3.2 热调节-CFD耦合系统设计与应用

通过热调节数学模型，计算身体各部位在环境工况下的瞬态热流量与温度，从内至外赋值人体各层边界，根据图3所示原理实现热调节-CFD系统耦合。Junning等[44]将人体热辐射应力响应模型嵌入CFD中，求解穿着单层热防护服人体核心温度变化，结合核心温度阈值和暴露时间，可以合理安排不同热环境条件下的救援作业时间，减缓热应激，提高救援效率，保障人们的生命安全。

研究人员基于不同环境与链接方式开发了多种耦合系统。杨杰[45]通过换热量与数值模型的重复回代计算，再现具有热反馈功能的HCE系统传热过程，预测29℃常温与45℃高温环境人体各部位显热、辐射、对流换热量与皮肤温度的60 min内的动态变化，发现高温环境中，30 min至40 min间人体各部位皮肤温度显著上升。仿真模拟值的验证分为两部分，首先设置相同工况（环境温度19 ℃，皮肤温度固定为31℃）与De Dear等[17]的假人风洞实验测量值及Sorensen等[46]的CFD模拟值对比，发现多数部位显热换热量、辐射换热系数相对误差低于10%，所得人体辐射换热系数4.45 W/（m2·K）吻合标准ASHRAE 55-2010《人类居住的热环境条件》的4.7 W/（m2·K），人体对流换热系数2.82W/（m2·K）接近 Sorensen模拟值3.13 W/（m2·K），由于风力水平的差异，该值与测量值差距较大;耦合系统的准确度由皮肤温度仿真计算值与相同条件着装人体热生理实验测量值的偏差表征，常温与高温环境下胳膊以外的部位偏差最大不超过1℃，预测效果可以接受。Voelker等[12]编写自动迭代JavaScript脚本链接求解器与伯克利热舒适（UC berkeley comfort， UCB）模型，达到由停止标准定义的收敛后，归纳局部与整体热感函数。耦合系统数值模拟弥补了高温环境暖体假人局部皮肤温度过高无法作业的技术缺陷，能够较精确地模拟对流与辐射换热量，适合针对性地评估非均匀环境工况的服装传热性能與人体各部位热舒适性。

4 不足与发展趋势

准确度是CFD评价服装传热性能始终面临的考验，虽然环境温度、空气温度、服装开口处风速、初始皮肤温度、防化服气阀气压等边界条件参数与织物的比热容、密度、表面发射率等物理性质可以通过采取仪器测量数据等方式尽可能贴近现实，但纺织材料往往为柔性多孔介质，不能简单地以单层光滑曲面模型描述;现有人体热反应模型还无法完全还原肌肉血液共同参与的复杂热调节过程，耦合系统稍显稚嫩;工作状态人体皮肉、关节活动导致衣下空间非均匀变化，固定边界与实际相悖。为了提高模拟准确度，服装传热CFD仿真未来可以着眼以下方向：

a）动区域、动网格模型使用：人体运动时皮肤拉扯，服装廓形扭曲，影响HCE系统流体流动状态与传热，通过运动坐标系化动态区域为稳态问题，动网格实时更新计算域边界，能够在真实物理现象还原方面更进一步。

b）用户自定义函数补充：在仿真计算过程中，CFD软件内未直接要求的邊界性质、网格划分、流体形式等条件，可以通过Profile文件与用户自定义函数（User-defined function， UDF）补充与限定。防护服面料内部有影响传热传质的液体毛细管作用、气体吸附等物理现象，Barry等[47]开发普通织物层传质模型，通过UDF结合Fluent内可变渗透率气相传输、液相吸收传输、蒸发冷凝等模块，评价不同环境条件下服装性能对材料特性的敏感响应，这也是值得拓展的研究方向。

c）数值模型耦合系统深入研发：CFD和人体热调节数值模型的耦合，几乎可以实时产生结果，在未来的应用中可以考虑新的系统实时传递算法，或是对环境条件进行互动控制，将呼吸过程纳入耦合系统中，研究蒸发和呼吸的热量损失对人体微气候的影响。不断改进各类环境适用的热反应数值模型，考虑服装层在CFD求解器与耦合模型同时存在的必要性。

CFD仿真辅助下评价服装传热性能，可以预测不同工况的人体换热系数与衣下微环境数值，根据体核、皮肤温度分布情况初步判断人体舒适程度，具有一定的灵活性与实用性。未来工作重点仍离不开确定合理的计算域模型，以有限的计算资源更精确地完成目标;软件迭代计算前应确保计算模型与假设取值符合自然规律，必要时通过相同条件试验校验并修正模拟设计。今后可以通过服装材料、结构变量控制与耦合系统，尽情探索现实空间物理实验所无法揭示的热量与流动的奥秘。

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