高温环境下送风帽送风对头部热舒适影响的模拟研究

摘要

工业生产中，一些特殊工作岗位因生产条件限制及工艺需求，工作环境温度高达40℃，严重影响工作人员的热舒适性。为改善高温车间的工作区环境，提高工作人员热舒适性，工作区需设置局部送风装置，但传统的局部送风因其自身的局限性不能很好的满足工作人员需求。近年来，个性化送风因其独有的特性受到人们的关注。个性化送风可将经过处理的低温空气直接输送至工作区，有效改善工作人员热舒适性。但对个性化送风的研究多针对于民用建筑环境（如办公环境等），而针对高温环境的研究较少。为改善高温作业人员的热舒适性，本文针对一种便携式空调系统中末端所采用的送风帽送风方式，采用CFD数值模拟技术，对其送风性能进行了研究分析，为后期的设备开发提供理论指导。本文的主要研究工作如下：
　　（1）首先总结分析个性化送风相关研究文献确定了研究思路和技术路线。其次，对人体散热特性、热调节模型及常规壁面热边界条件进行分析，基于Pennes生物传热方程建立了头部传热模型，解决了常规热边界条件的不适用性。最后，总结非均匀热环境人体热舒适预测方法，并基于 Zhang的局部热感觉模型建立了适用于本课题的头部热舒适评价指标。
　　（2）在环境温度40℃时，分别对佩戴和不佩戴送风帽进行瞬态计算分析。结果表明：与不佩戴送风帽相比，相同时刻佩戴送风帽时头部平均和最高温度约低1～2℃，且皮肤温度上升速度明显降低。分析头部周围速度和温度分布可知：佩戴送风帽时可在头部周围形成具有阻隔环境高温侵袭作用的气幕，将头部与周围高温环境隔离。
　　（3）在送风口宽为10mm、风口和头部间距为10mm时，通过模拟计算研究了送风参数对头部热舒适的影响。结果显示：随送风温度升高η值先升高后下降，存在最优送风温度范围；η值随送风风速的增大逐渐增大，随送风角度的增大逐渐减小，但送风角度在0～15°变化时对η值几乎无影响，角度大于15°时不同工况影响作用不同。基于计算结果分析得出合理的送风参数范围为：送风温度T=24～28℃、送风风速V=0.6～0.8m/s、送风角度α=5～10°。
　　（4）基于送风参数的计算结果，通过模拟计算分析了送风口结构参数对头部热舒适的影响。分析得出合理的结构参数范围为：风口宽 B=10～15mm、风口和头部水平间距D=10～15mm。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究对象及思路

1.4 本文主要工作内容

2 数值方法及头部传热数学模型

2.1 CFD数值模拟理论基础

2.2 头部传热数学模型建立

2.3 人体热边界处理的合理性验证

2.4 本章小结

3 头部热舒适评价方法建立

3.1 非均匀热环境热舒适预测模型及其对比分析

3.2 Zhang的热感觉、热舒适预测模型简介

3.3 头部热舒适评价指标及方法

3.4 本章小结

4 送风帽送风热环境模拟及热舒适分析

4.1 数值模型及计算设置

4.2 温度调节性能分析

4.3 头部流场及温度场分布

4.4 送风参数对头部热舒适的影响

4.5 送风口结构参数对头部热舒适的影响

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 研究总结

5.2 主要创新点

5.3 展望

参考文献

致谢