强制通风下服装热湿传递模型研究进展

钱 静，赵蒙蒙，党天华

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

服装作为最便携、最贴近人体的物品，近年来其改善人体舒适性的功能为很多学者所关注和研究。服装微环境中的温度、湿度和空气流动对于服装舒适性有重要影响。通过在服装的外部或者内部施加强制通风来加快服装表面与内部的空气流动是一种改善服装热湿舒适性的重要方式。

服装微环境即服装与人体之间的空气层。对于服装微环境热湿舒适性的研究，建立一个准确的模型来对服装微环境进行模拟是成本较低、较为有效的方法。上个世纪40年代以来，研究者们开发了大量用于评估人类接触热量的工具、模型和指数。从设计简单的用来模拟人类与环境的热交换的物理仪器，到复杂的可以模拟身体外部和内部的热湿传递的人体热调节模型，这些模型能够详细地模拟不同的工作负荷、服装和气候下人体的热响应[1]。

对于强制通风情况下服装微环境内热湿舒适性模型的研究，在改善人体在高温环境甚至是极端环境中的热舒适性都有重要意义。本文讨论了人体—服装—环境之间的热湿传递机制，回顾了国内外相关研究成果。介绍了人体热调节模型的特点及应用场景。综述了织物和服装在强制通风条件下的热湿传递模型及模型的求解方法。结合人体热调节模型的研究现状，展望了服装的热湿传递模型的研究方向。

1 服装微环境内热湿传递机制分析

人体、服装与外部环境之间，只要存在温度和湿度差，就会发生热和湿的传递。服装与人体之间的空间虽然对比外部环境来说很狭小，由于该微环境是直接与人体接触的，因此其温度、湿度的变化以及空气的流动对于人体的热舒适会产生较大影响。微环境中气隙的分布很复杂并且受到服装面料、尺寸以及人体姿势和动作等诸多因素的影响。人体—服装—环境系统热湿传递示意图见图1。

图1 人体—服装—环境系统热湿传递示意图

如图1所示，服装微环境中的热传递包括当服装与人体直接接触时，如肩部，服装面料与人体皮肤之间发生热传导，还会发生横向的毛细现象以及水分在服装表面的吸附和冷凝。织物与皮肤之间存在一些非均匀的气隙分布，通常是指服装产生褶皱的地方或者人体曲线变化较明显的部位，此时在服装微环境中会发生的传热现象包括传导、辐射、蒸发和对流。其中，对流是由于空气在物体上流动而产生的。当比身体温度低的空气吹过身体表面时，热量就可以从皮肤表面散失。对流的热量散失率取决于诸如空气温度、风速和衣服类型等因素[2]。对于垂直方向的空气层气隙，如果空气层的厚度大于8 mm，通过空气层的热传递开始由导热变为自然对流传热[3]；在对水平方向空气层[4]的研究中发现当空气层厚度超过16 mm时，会出现自然对流。

人体分泌的汗液是先从皮肤蒸发到服装微环境中，然后通过服装散发外界环境中去。服装作为皮肤与外界环境之间的媒介物，对汗液的蒸发具有一定的阻碍作用。皮肤表面温度一般要高于外界环境温度，这就使得从皮肤蒸发出的汗水在服装表面凝结，并在整个服装面料中重新分配，然后再重新散发到外界环境中去[5-6]。

2 人体热调节模型

人体热调节模型是由描述体内热传递和调节反应的方程组成。其发展已经有60多年，期间研究者们开发了大量的数值模型。各个模型对于身体节点的划分不同，不同的身体节点划分方法所对应的描述人体调节反应的方程的形式也有所不同[7]。本文根据Li[8]提出的对人体热调节模型的分类方法，将模型分为两节点模型、多节点模型和多元模型。

2.1 两节点模型

两节点模型采用集总参数的方法来模拟人体。其中，两节点模型是应用较为广泛的评价人体热响应和预测瞬态条件下个人和环境的传热模型。在这个模型中，身体由2个同心圆柱体表示。外部的圆柱代表身体的外层(皮肤及其相关组织)，内部的圆柱代表身体的内部，由骨骼、肌肉和内脏组成。这些内部和外部的圆柱体分别被称为身体的核心和皮肤[9]。

然而，如果将个人降温系统应用于人体，由于温度梯度较大，Gagge的模型就不能很好地预测。并且，Gagge的模型中将服装作为一个整体的绝缘体考虑，忽视了服装覆盖部分和裸露部分的传热差异，没有体现服装在热湿传递过程中的重要作用。针对这两点，相关学者给出了相应的改进方案[10-12]。

2.2 多节点模型

多节点模型采用偏微分方程来描述人体的传热问题。通常采用有限差分法、有限体积法或者有限元法对微分方程进行离散，得到各节点处的线性代数方程。

Stolwijk等[13]基于偏差函数建立了人体热调节的动态数学模型，共将25个节点用于表示身体的热特性，用5个圆柱体和1个球体分别代表躯干、手臂、手、腿、脚和头部，每个部位被划分成4层，包括核心层、肌肉组织层、脂肪层以及皮肤层，共24个节点。皮肤层是外部节点，通过辐射，对流和蒸发与环境进行热交换。此外，还包含1个代表中央血室的节点。每个节点都有一定的代谢热产生，与中央血室进行对流热交换并与相邻节点产生对流热交换。后续也有学者对该人体热调节模型进行改进，使其适合应用于更加广泛的场景，如冷环境[14]、太空环境[15-16]等。

Fiala[17]将人体的被动系统和主动系统结合起来，形成了一个相对复杂的人体热调节模型。人体的几何形状被简化为15个球形和圆柱形的节段，可以根据研究需要将身体节段再划分为不同的组织层，并赋予每个组织层相应的热物理和热生物特性，总体的人体数据可以代表一个体重为73.5 kg、体脂率占体重的14%且体表面积为1.86 m2的平均人体。人体热调节模型在凉、冷、中性、暖和热环境条件下进行开发和测试，并且对个体在不同外界环境中的热调节反应(包括寒颤、出汗和血管舒缩)的测试数据进行回归分析，因此具有广泛的适用性[18]，该多节点热调节模型也在后续的研究中得到验证与应用[19-21]。

多节点模型的优点是可根据需要划分节段和节点，具有较好的灵活性和精确度，可以应用于动态、非稳态环境。其不足之处在于在温度梯度变化大的环境下精度不如多元模型。

2.3 多元模型

多元模型比起两节点模型和多节点模型来说更为复杂。在多元模型中，人体被划分为若干段或若干单元，但单元中没有进一步划分节点或层数。在每个单元中，温度梯度可以通过形状函数梯度和节点温度的结合来考虑。因此，相比集总参数模型和多节点模型，多元模型通常能得到更准确的结果，特别是当人体处于瞬态且温度梯度较大的情况下[8]。

Smith[22]建立了一个较为详细的多元人体热调节模型，该模型应用范围较广，可以在非对称和非均匀条件下，计算人体局部的温度，然而Smith的模型忽略了大动脉中血液流动对于人体传热的影响。Fu[23]根据该多元人体热调节模型进行了进一步的修改，加入了服装层。

3 强制对流下服装热湿传递模型

在强制对流存在的情况下，人体、服装与环境之间的换热以及服装微环境内的温度分布是一个较为复杂的问题，难以用实验来量化。纺织品的微观结构和纹理对人体的热湿舒适性起着非常重要的作用。一些学者对织物和服装热湿传递的动态模型进行了讨论，并对多孔介质中的热、湿和空气流动进行了相应的数值模拟。

3.1 织物的热湿传递模型

强制对流会对面料内部以及边界空气层的厚度造成影响。丁殷佳等[24]研究了风速对单、双层织物的影响。建立了双层织物总热阻关于风速的模型。并将不同面料、在不同风速下热阻的预测值和测试值进行了对比，发现误差小于3%，模型的准确性得以验证。Rimantas等[25]提出了用于研究多层纺织面料与人体之间的热量和空气水汽质量交换的计算模型。创建了三维纺织材料构成的强制通风层的有限元，并可作为纺织面料整体结构模型中的结构元素。在理想气体状态方程的基础上，导出了单元方程，并给出了织物层特性的测量结果和数值数据。

一些研究选择使用圆筒来对织物的相关参数进行模拟并进行实验。Ghaddar等[26]，提出了一个耦合混合对流以及通风的模型。并使用由织物覆盖的可加热加湿竖直圆筒模拟人体穿着服装的状态，研究圆筒在均匀的垂直风的作用下，圆筒表面的温度分布以及其内表面的水分蒸发率。通过比较模型与实验测量之间的显热和潜热损失以及圆筒与织物之间的空气温度曲线发现了很好的一致性。Gibson[27]使用织物覆盖的圆柱体为几何图形建立了二维模型，计算了在特定环境风速、温度和相对湿度条件下织物内部的热湿传递特性。

3.2 服装的热湿传递模型

为了较为详细地描述强制通风下服装内部热量分布和流体的流动情况这一过程，需要建立完善的模型，国内外的许多学者做了相关研究。

数值模拟是一种节省成本且时间效率较高的方法，可以用来了解物理机制和人体实时的生理反应。过去，针对不同环境下不同类型的服装，创建了不同的数值模型来研究服装的热湿传递过程[28-29]。针对强制通风下，服装内部和外部的温度、湿度和换热系数等，研究者建立了相关的数值模型。Pu[2]建立了能模拟人体与液体、空气和相变冷却服装及其周围环境的热相互作用的数值模型，为穿着者的生理反应、所需的冷却能力以及允许的工作时间提供合理的预测。该研究并未考虑服装内部的流体流动情况以及温度分布情况。Wan等[30]开发了一个数值模型来分析混合型个人降温服中热量和水分的传递。对Tanabe的多节点模型进行了改进，将服装热湿传递模型与多节点人体热调节模型相结合，确定了动态环境条件下人体的热生理反应。

随着计算机领域的发展，计算能力得到了提升，但此时计算机的计算能力有限，研究者大都选择使用简化的人体形状进行模拟。Ismail等[31]将人体简化为一个带有均匀的环形空气层的垂直圆柱体，研究了均匀横风对穿着衣服的人体的通风、热量和湿气的传递的影响。陈盛祥等[32]针对3种不同进气口类型的气体冷却服，建立了CFD模型，分析了几种冷却服空气层中的空气流动和换热情况。研究结果表明不同进风口类型对于冷却服空气层的对流散热量、平均温度、温度分布状况和平均气流流速的影响较大。该研究忽略了蒸发散热以及辐射传热对空气层传热的影响。Sun等[33]研究了几个小风扇产生的气流以及气流之间相互影响的效果，并采用流体力学模拟计算了气流速度、气隙厚度和风扇配置对可穿戴式对流冷却系统换热的影响[34]。模拟结果表明，增加进口空气速度，对流和蒸发换热系数随之增加；入口空气速度与对流或蒸发传热系数之间与已知的幂函数有较好的相关性。Sun等[33]所建立的模型是二维的，只考虑了风扇直吹部分的空气层中气流流动情况，该方法可以减少计算量，但是如果要获得更加准确的模拟效果，则需要建立三维模型对该系统进行模拟。

近些年，由于计算机的进一步发展和商业软件的成熟，使得模拟更加真实的人体—服装—环境系统成为可能。一些结合人体热调节模型并考虑人体和服装真实形态的三维模型被开发出来。在任萍[35]的研究中，针对高温天气中穿着的带有微风扇阵列的服装和单兵数字头盔建立了三维模型，对于穿戴时的传热过程进行了数值模拟，计算了不同的环境温度、不同风扇风速和风流量情况下的头部和背部传热过程，得到接近真实的三维模拟结果。吴钊[36]基于多节点人体热调节模型，对穿着气冷服的空气层内发生的传热进行数值计算。将计算结果与其他文献报道的数据进行比较，验证了计算结果的准确性。以传热计算的结果为基础，结合Zhang[18]的热舒适度模型，计算了特定环境条件下使人体躯干局部保持热舒适状态时的风扇风速。对于气冷服的设计优化具有一定的参考意义。许鹏飞[37]为了研究基于热电制冷的管道式气冷服中气体的换热与流动情况，建立了人体—服装—环境的传热模型，根据不同的管路设计方案的数值分析结果，来改善气冷服制冷的平衡性。且研究所采用的人体模型并不涉及人体内部体温调节，只考虑了体表的温度，并且将人体与服装间的空气层理想化为均匀分布,这些都与现实情况有一定的差异，因此模型的适用性有待考证。Choudhary等[38]以一个穿着后背部带有2个风扇的通风服的虚拟人体模型为研究对象，建立了人体—服装—环境间的三维数值模型。计算服装内部强制通风情况下,人体、服装与环境之间的传热。该研究假设服装的开口部位仅为袖口，没有将领口、服装下摆以及织物纱线间存在的气隙考虑在内，可能会导致计算结果存在一定的误差，并且所模拟的情况只包含对流传热，而忽略了蒸发传热所带来的热损失。

4 模型求解

对于热湿传递模型，求解方法主要有有限差分法、有限体积法和有限元法这3种。

4.1 有限差分法

在流体力学数值解法中，应用比较广泛的是有限差分法，即在离散的网格点上把各偏导数项化为差商来求效值解：选择合适的基本方程，确定相应的定解条件，然后将微分方程离散到差分网格上求解[39]。

Nordon等[40]基于双扫描法，建立了描述吸湿性纺织材料中热湿耦合扩散模型，并得出非线性微分方程的有限差分解。Smith等[41]描述了一个穿着衣服的人体体温调节的数学模型。服装内部和外部的热流被表示为1个偏微分方程系统。利用有限差分技术来逼近空间偏导数，从而将问题简化为求解非线性常微分方程组。在时间维度上采用一种高精度的近似方法来生成问题的解。

4.2 有限体积法

有限体积法又称为控制体积法，是对积分型的守恒方程进行离散，从而把积分型方程近似为代数方程进行求解的方法[42]。

Mao等[43]提出了一种模拟热智能服装系统中多尺度热湿传递的非线性模型，用于研究在人体、织物、纤维材料和相变材料的混合型耦合热湿传递过程。采用有限体积法对模型的耦合偏微分方程进行离散，并结合具体的穿着场景，给出了热智能服装模拟的数值方案。Lin等[44]为了建立分析体表热湿传递的人体模型，建立了服装热湿传递平衡方程。同时，基于质量守恒定律、能量守恒定律和毛细作用，得到了热湿传递平衡方程，并采用有限体积法求解该平衡方程。Jia等[45]对热辐射现象进行了数学建模，并将其与其他热湿传递机制相结合，建立了三维服装热湿传递模型。基于有限体积法进行了数学计算，并进行了仿真实验。

4.3 有限元法

有限元法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思路是把计算域划分为有限的互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式,借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。

唐元梁[46]采用加权余量法来构造皮肤、肌肉的有限元离散传热方程。Tian等[47]建立了1个由热防护服、气隙和人体皮肤组成的微系统，并用有限元方法对该系统的温度分布和热流进行了数值模拟。Li等[48]采用有限元法建立了1个求解控制方程的求解程序。为了更容易地表示复杂的几何，研究采用笛卡尔坐标系和等参元。

在人体—服装—环境热湿传递模型的求解过程中，使用有限元法有2个优点:首先，为这类问题开发通用解决的方法过程更容易。其次，等参有限元技术非常适合于如人体等不规则形状的物体。上述多元人体热调节模型就是基于有限元方法建立的。

5 结束语

服装对人体的热舒适起着至关重要的作用，在服装微环境内施加强制通风的技术能改善人体热舒适。建立一个合理的热湿传递模型，需要充分了解人体与服装系统以及人体所处的各种环境条件之间的热湿传递机制。由于人体的热调节反应对于人体—服装—环境系统内的热量传递有较大的影响，因此需要建立真实地能够模拟的人体热响应的人体热调节模型，加入服装层，并采用相应的方法对模型进行求解。针对现有模型存在的问题，强制通风情况下服装的热湿传递模型的研究主要分为以下几点：

①对于服装的材料进行更加真实的模拟。许多现有模型将服装模拟为只在袖口、领口等部位存在开口，而对服装材料内部孔隙考虑不足，这些孔隙对于服装的透气性、热阻值等有较大影响，因此所建立的模型需包含服装材料的物理属性。

②建立多层通风服装的三维热湿传递模型。目前，建立的预测三维模型多为对单层服装空气层的研究。多层服装的热湿传递模型，不只是服装面料热阻值的增加，还涉及到服装内空气层形状和尺寸的改变，以及在施加强制对流时，对于内层服装以及内部空气层传热性能的影响。需要建立合理的多层服装的通风模型对其内部热湿传递机制进行研究，并为通风服的研究提供参考。

③拓展模型的使用范围，将其应用于实际的功能服装的开发中。现有模型的应用范围有限、可靠性也有待验证；对于功能服装的设计缺乏系统化的方法。利用合理的模型可以对服装的设计变化的影响进行详细的参数化研究。采用系统的方法，在节省大量时间、资源、人力和成本的同时，有利于获得服装的优化设计。