基于FLUENT模拟人体海水浸渍失温模拟研究和石墨烯保暖救生衣设计

朱建梁 陈统销 田花蔓

最近失温死亡事件频发，发生在甘肃白银超级马拉松失温死亡事件和发生在云南哀牢山地质勘探人员失温死亡事件，说明人体失温的可怕。但是最可怕的人体失温事件往往发生在海难事故。如果没有特殊措施，由于海水的比热容大，人体在海水中散发的热量远超过产生的热量，造成人体失温昏迷。当海船发生险情，海员和乘客在海水中的生存能力非常有限。

一、 海水浸渍的危险性

1、 海水浸渍人体反应

因为人体失温模拟实验只能借助狗、猪、羊等恒温动物模拟，而动物模拟实验又会因为动物耐寒性能不同而有所不同。所以借助于FLUENT模拟软件模拟，能够取得非常好的数据，模拟吻合度较高。

在一般情况下，水温低于15摄氏度时，落水死亡的危险性将大大增加。在15℃左右的海水里，一般人员会在15-25分钟内低温昏迷，1小时以上就会有生命危险。在没有有效保暖措施情况下，即使是在炎热的夏天，万一发生海难事故，人体失温昏迷也是在所难免。

2、传统救生衣

救生衣又称救生背心，其设计类似背心，采用浮力材料或可充气的材料制成。一般使用年限为5-7年，是船上、飞机上的救生设备之一。一般为背心式救生衣穿在身上具有足够浮力。现有的救生衣结构和功能都过于简单，人员在落水时仅依靠救生衣浮在水面上，由于水体温度较低容易造成落水人员体温降低，对落水人员的生命健康造成威胁，影响落水人员的获救率。

二、人体失温模拟数字仿真

2.1 传热模型的建立

救生衣散熱考虑因素：海水（传导），空气（对流），和对人体（传导）。人体散热考虑因素：空气（对流），海水（传导）。

本热传导模型只考虑热传导的传热过程。将人体近似看作圆柱体模型，利用前处理软件GAMBIT进行“有限体积”网格划分，（如图1）再利用商用软件FLUENT对海水浸泡下人体热量散失的流场和温度场进行模拟计算。

2.2能量方程

以上A1能量方程中，为有效导热率（，其中，为湍流引致的导热率，由模型中使用的湍流模型确定）。为组分的扩散通量。方程A1中：

其中，显焓的定义（对不可压流体）：

方程A3中，为组分的质量分数：

其中为298.15K。

化学反应引起的传热源项

方程A1中的能量源项包含化学反应带来的热量;

其中，为组分的生成焓，为组分的体积释热率。

有关传热的输入项

激活传热计算，在Energy panel面板中激活Energy Equation选项。Define Models Energy...

在流动入口、出口以及壁面定义热边界条件

Define Boundary Conditions...

在入口、出口边界用户应设定温度条件;在壁面，用户可以设定如下的热边界条件：设定热流、设定温度、对流传热条件

入口的缺省热边界条件为温度=300K;壁面的缺省热边界条件为热流=0（即壁面绝热）。

定义介质的热参数

Define Materials...

定义介质的比热和导热率，并且可以把很多参数设定为温度的函数。

温度的高限与低限值

出于计算稳定性的考虑，FLUENT对温度的计算范围加以限制。设定温度的高低限是为了提高计算的稳定性，因为物理上真实的温度应该处于某个确定的温度范围之内。

模拟分离的两个区域内的传热

传热计算域涉及到由固体区域或某个壁面分开的两个流动区域（如图4所示），那么，就需要设定此计算模型：FLUID 1为救生衣内部的空气，FLUID2为海水，这里以1.5%NaCl溶液近似模拟。

l在任一个流动区域都不能使用outflow边界条件

l通过对每个计算域设定不同的流体介质，用户可以创建单独的流体介质属性。这里的流体介质为海水。以1%的NaCl水溶液模拟。

2.3传热变量的输出与显示

对于传热过程，FLUENT提供几种输出选项。可以生成如下的图形或输出变量/函数：温度、总温（滞止温度）、相对滞止温度、壁面温度（救生衣外表面）、壁面温度（救生衣内表面）、总能、内能、表面总热流密度、表面传热系数等。

穿过边界的热流量（热通量）的输出

使用面板来计算求解域中每个边界的传热量，或者是对所有边界的传热量求和以检查热量的平衡。

Report Fluxes... 进行热平衡的检查以确保计算结果达到真实收敛状态。

穿过表面的热流通量的输出

使用Surface Integrals panel面板来计算穿过任一边界或表面热流通量。

Report Surface Integrals...

2.4 热流数据的输出

把壁面区域（包括辐射体）的热流数据输出到文件中，然后就可以进行计算数据的检查或在在其它程序中使用。为了存贮热流数据文件，使用custom-heat-flux命令行。

file export custom-heat-flux

选定的区域（面区域，face zone）热流数据文件的输出格式为：

zone-name nfaces

每个数据区以区域名称（zone-name）开始，然后是在此区域包含的面的总数（nfaces）。接下来是每一个面的相关数据（共有nfaces行），每行数据包含面的几何中心坐标（x_f， y_f， and， 三维时还包含， z_f）、面的面积（A））、包扩辐射传热的总热流量（Q）、面的温度（T_w）以及相邻单元的温度（T_c）。

三、石墨烯发热保暖救生衣的设计

根据FLUENT模拟海水浸泡散热模型计算得到的热量散失数据，设计一种石墨烯发热保暖救生衣。救生衣本体的内部固定连接有与人体贴合的衬里，衬里设置有保温层、隔热层、加热层，加热层的内部设置有控制盒、若干石墨烯加热片以及连接控制盒和若干石墨烯加热片导线，控制盒与若干石墨烯加热片电性连接;救生衣本体底部的四周均匀固定安装有若干气囊，若干气囊通过多通管连通;救生衣本体的前胸处对称固定安装有两个第一收容袋，第一收容袋的内部放置后救生浆，救生浆上固定安装有两根弹性带。救生衣本体的内部固定连接有与人体贴合的衬里，衬里的加热层的内部设置有石墨烯加热片，若干石墨烯加热片对人体的各部位进行供暖，防止人体落水后体温降低。

石墨烯发热保暖救生衣发热比较平稳，发热时间长使用效果好。这样将大大降低人体海水浸泡发生的危险性。

参考文献

[1]施伟（导师：刘伟民）. 温差电站（OTEC）冷水管道系统传热分析[D]，国家海洋局第一海洋研究所硕士学位论文;2016

[2]於晓川（导师：孙俊才）. 单管氢化物反应器的传热研究[D] ，大连海事大学硕士论文;2017

[3]李杰. 集束化护理干预在急诊重症中暑救治中的应用效果 ;世界最新医学信息文摘;2021-03-26

[4]余孝永. 一种新型动力救生衣CN201921593109.5 ;2019-09-22

[5]东莞市欧拓运动用品有限公司. 带有自动前行装置的救生衣CN201921131961.0 ;2019-07-16

朱建梁（1972.7-），男，汉族，浙江余姚人，职业教育学硕士，助理研究员，从事职业教育、教育管理研究;

陈统销（1963.5—），男，讲师，主要从事航海教育和海上求生工作。

田花蔓（1990.11-），女，汉族，湖北仙桃人，图书馆学硕士，馆员，从事文献检索研究。

课题：浙江省教育厅研究项目

项目名称：海船制热可控型保暖救生衣，研究项目，编号Y201225868