某防暴头盔内置制冷垫制冷过程的数值模拟

项德海武警杭州士官学校军械系装备器材教研室

某防暴头盔内置制冷垫制冷过程的数值模拟

项德海
武警杭州士官学校军械系装备器材教研室

以经典Pennes生物传热方程作为控制方程，在头部几何模型的基础上，利用ANSYS-Fluent软件建立了“人体头部-制冷凉垫”的二维数值传热模型，仿真出了310K（37℃）条件下人体头部稳态温度场分布。结果表明：该头盔内置制冷凉垫可有效降低制冷垫对应处的皮肤温度，最高降温达2.7K，但对头部皮肤平均温度以及头部深层处温度无显著影响。

制冷垫；温度场；数值模拟

临床医学领域，经常在利用小型制冷装置来进行头部局部创伤治疗和化疗减缓脱发，如张亚君等制作了一种可对头部局部温度进行控制的医疗制冷头盔，能满足一定的医学制冷要求。受此启发，本文研制出了一种内嵌于武警某新型防暴头盔的制冷散热凉垫（如图1所示），为了探究该制冷散热凉垫的降温效果，利用流体力学软件ANSYS-Fluent，对该制冷凉垫与人体头部构成的二维稳态温度场进行直观展现。

图1 某新型防暴头盔内置制冷垫

1.热传导方程

人体头部由脑组织、血管、骨骼、皮肤、脑脊液等多个部分有机组成，为了问题研究的方便，借鉴多节点模型对人体组织的划分方式，将头部从外至内简化为皮肤层、骨骼层、脑组织层三个主要部分。选取头部的一个纵向准椭圆切面作为研究对象，分别将椭圆长径设为184mm，短径设为150mm，底边设为82mm。将头部从外至内简化为皮肤层、骨骼层以及脑组织层三层结构，皮肤层和骨骼层的厚度分别设置为2mm、12mm，其余区域按脑组织层处理。采用Pennes方程来描述头部各组织层的稳态传热过程，其具体表述为：

据此分别写出头部皮肤层（skin）、骨骼层（bone）、脑组织层（brain tissue）的热传导控制方程如下：

公式中s、b、bt分别代表头部皮肤层（skin）、骨骼层（bone）和脑部组织层（brain tissue）。

2.仿真参数设置

本文的仿真参数主要包括制冷散热凉垫的制冷量、环境温度以及人体头部各组织层的密度、比热容、导热系数、新陈代谢量和血液灌注率等。在ANSYS-Fluent软件中，将制冷垫的制冷量设定为6×10-3W/cm2（这里的制冷量，由制冷垫在ANSYS-Fluent软件中的计算数据换算而得），环境温度设置为308K。采用生理界常用的“标准人（standardman）”的概念，分别将皮肤、骨骼、脑组织的密度设置为1000 kg·m-3、1500kg·m-3、1000kg·m-3，血液灌注率设置为0.35 kg·m-3·s-1、0、6.232 kg·m-3·s-1（这里假设骨骼层由均匀固态物质组成），导热系数设置为0.209W·m-1·K-1、0.581W·m-1·K-1、0.5W· m-1·K-1，代谢产热设置为0、0、9678W·m-3。头部血液温度和比热容分别取值为310K、3850J·Kg-1·K-1。

3.数值模拟结果与分析2

在迭代次数为2000，残差监控临界值为1e-07的情况下，得出了“人体头部-制冷凉垫”系统的二维稳态温度场分布，如图2所示。

图2 “人体头部-制冷凉垫”系统二维稳态温度场

由图2可知，制冷垫对应的头部皮肤处最低温度为301.91K，头部其它皮肤温度为304.61K，二者相差2.7K，表明该头盔内置的制冷垫对头部局部皮肤处的降温效果十分明显，对头部皮肤的整体降温效果不明显。此外，从图2还可看出，头部骨骼层及骨骼层以下区域的温度几乎没有什么变化，分布在307.30K与310.00K之间，表明该制冷散热垫不会将制冷量传递至头部皮肤层以下的深层区域，不会影响到头部深层区域的新陈代谢及其它生理活动，说明该制冷方式是安全可行的。本文的研究可为人体头部防护着装的散热设计提供一定的技术牵引指导。

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