失重条件下密闭环境内湿度对人体热舒适的影响研究

发布时间：2017-11-02 19:35

  本文关键词：失重条件下密闭环境内湿度对人体热舒适的影响研究

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【摘要】：随着载人航天技术的飞速发展,在载人航天器中营造一个适宜航天员长期居住和生活的环境已经成为人类航天工程的主要研究任务之一。微重力条件下对人体热舒适的研究是舱内人工环境和生命保障系统设计的基础和依据,目前针对载人舱中人体热舒适的研究主要有两个方向,一是以研究舱内通风及气流组织为手段,主要通过风速、温度等参数来对室内人员热舒适进行评价;另一个方向就是研究微重力条件下人体生理机能的改变情况,属于航天生理学的研究范畴。本文综合考虑了上述两个研究方向,除温度、风速外还将湿度、人员活动率以及人体血液分布等情况纳入到人体热舒适的评价体系中,运用CFD仿真技术对微重力下的舱内温、湿度场进行了模拟研究,并初步讨论了在不同人员活动率下的舱内热舒适区间。本文首先对微重力环境以及数值模拟方法进行了介绍,阐述了利用标准有效温度SET*来进行热舒适评价的原理和可行性。为了说明商业CFD软件fluent能够模拟微重力下无自然对流情况,进行了二维和三维的建模仿真,并分别与清华大学任建勋的“冷流实验”和地面“等温法”模拟无自然对流的实验结果作对比,发现在自然对流存在的情况下,流场的存在“再分配”效应,低速区域少于无自然对流的情况,这种趋势在模拟和实验中均有体现,说明了计算机仿真能够抓住微重力下无自然对流流场的特性,论证了模拟方法的可行性。接着本文根据“哥伦布”实验舱进行了三维建模,对舱内送风温湿度进行了设计计算,并将计算结果作为边界条件代入模拟仿真中,分析了不同重力情况下的舱内湿度情况,研究表明在常重力和微重力两种情况下,前者湿度场分布情况较后者更接近于设定值,舱中水蒸气质量分布是影响舱内湿度场的主要因素。最后,文章进行UDF编程计算了标准有效温度SET*,从而对不同相对湿度、人员活动强度以及血液分布下的人员热舒适进行了评价,结果表明人体热舒适感觉温度随相对湿度的增大而增加。当不考虑血液分布对人体热感觉的影响时,温度在24-27℃范围内,相对湿度在20%-80%之间,人体周围流速在0.2m/s左右时,从人员活动强度来看,在这样的环境中人体处于睡眠活动状态下的热舒适度最高,而处在运动时计算的标准有效温度区要略低于热舒适区,说明相比于睡眠和工作,运动时人更喜欢稍热一点的环境;从空气流速上来看,当流速增大至1m/s时,标准有效温度降低,人体感觉“偏凉”,反之流速减小至0.06m/s时,人体感觉“偏热”。微重力效应会使人体血液向上肢汇集,人员身体下部的血液容积将会减少,由此将会产生上肢热感觉温度升高,下肢热感觉温度降低的现象。本文结合了CFD数值仿真方法和地面模拟实验,通过fluent软件的UDF(用户自定义功能)功能引入标准有效温度SET*来对载人航天舱内的人员热舒适进行评价,将温度、速度、湿度、人员活动情况、衣着条件、血液分布等参数综合为统一标准有效温度值,将不同环境状况的人体热舒适进行量化,使其具有可比性。SET*计算程序具有参数调整灵活,适应性广的特点,本文的研究将为下一步微重力条件下的人体热舒适实验研究提供一些实验参数和依据。
【关键词】：数值仿真 微重力 热舒适 标准有效温度 湿度场
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V444.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 载人航天舱环境特点12
• 1.3 热舒适研究现状12-16
• 1.3.1 热舒适定义12-13
• 1.3.2 地面热舒适研究发展13-14
• 1.3.3 微重力热舒适研究发展14
• 1.3.4 湿度对人体热舒适影响14-16
• 1.4 模拟微重力环境的方法16-18
• 1.4.1 地面实验16-17
• 1.4.2 数值模拟方法17-18
• 1.5 本文主要工作18-19
• 第二章 微重力环境的数值模拟和热舒适评价指标19-30
• 2.1 自然对流相关理论19-21
• 2.1.1 自然对流机理19-20
• 2.1.2 格拉晓夫数和阿基米德数20-21
• 2.2 数值计算模型21-25
• 2.2.1 控制方程21-23
• 2.2.2 离散和求解方法23-25
• 2.3 热舒适评价指标25-30
• 2.3.1 PMV指标25
• 2.3.2 有效温度ET和新有效温度ET*25-26
• 2.3.3 标准有效温度SET*26-28
• 2.3.4 场不均匀系数28
• 2.3.5 皮肤相对湿度skj28
• 2.3.6 皮肤湿润度上限limitw28-29
• 2.3.7 不满意百分比PD29
• 2.3.8 适宜流速v*29-30
• 第三章 消除自然对流的数值模拟和实验论证30-39
• 3.1 消除自然对流的数值模拟方法30-33
• 3.1.1 二维模型30-31
• 3.1.2 三维模型31-32
• 3.1.3 结果分析32-33
• 3.2 消除自然对流的地面实验论证33-38
• 3.2.1 实验原理34
• 3.2.2 实验仪器34-35
• 3.2.3 实验方法和测点布置35-36
• 3.2.4 实验结果分析36-38
• 3.3 小结38-39
• 第四章 载人舱内空调设计及湿度场分布39-48
• 4.1 几何模型39-40
• 4.2 舱内负荷计算40-41
• 4.3 送风计算41-42
• 4.4 边界条件及求解方法42-43
• 4.4.1 边界条件42
• 4.4.2 边界上湿度值的确定42
• 4.4.3 求解方法42-43
• 4.5 湿度场分析43-47
• 4.5.1 微重力下舱内湿度分布43-44
• 4.5.2 不同重力情况下舱内湿度场44-47
• 4.6 小结47-48
• 第五章 载人舱内热舒适分析48-62
• 5.1 SET*指标的数值模拟论证48-50
• 5.2 相对湿度对标准有效温度SET*的影响50-55
• 5.3 载人舱中的人员热舒适区55-59
• 5.3.1 不同活动强度下的热舒适区55-58
• 5.3.2 不同速度下的舒适区58-59
• 5.4 血液分布对标准有效温度SET*的影响59-60
• 5.5 小结60-62
• 第六章 结论与展望62-64
• 6.1 主要研究结论62-63
• 6.2 展望63-64
• 参考文献64-67
• 附录 1（SET*计算程序）67-70
• 攻读学位期间主要的研究成果70-71
• 致谢71-72

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本文编号：1132888