模拟和评估人体的热行为

包括所有主要热生理效应的虚拟人体模拟模型

被动系统

基础人体生理学

  • 热传导和扇形边界条件
  • 代谢热生成和血液循环
  • 呼吸和蒸发
  • 服装、保温层

主动系统

体温调节机制

  • 出汗
  • 颤抖
  • 血管舒

舒适性评估

衡量人体的热舒适性

  • 全身舒适性指数:
    Fanger的PMV和PPD,Fiala的TS和DTS
  • Zhang的局部舒适性指数
  • 等效温度

虚拟人体热模型FIALA-FE

模拟人体热生理机制并评估人体热舒适度。

FIALA-FA模型使用的内部虚拟人离散化图像
层、扇区和身体部位构成的人体内部模型

FIALA-FE是基于热生理学领域的最新研究成果的人体虚拟计算机模型,用于模拟人体热响应和热舒适性预测。血流,呼吸,蒸发,代谢反应,出汗,颤抖,心输出量以及人体模型与其环境之间的局部热交换等方面均可在逼真的模拟中纳入考虑。每个单独的身体部位均可分配由衣服产生的隔热层。FIALA-FE的用途大大超越了物理假人模型。

人体热模型FIALA-FE完全集成在我们的热分析软件THESEUS‑FE中。它是一个可提供整体和局部热舒适性指数的强大工具,可用于设计最佳空调控制系统等任务。当放置在乘员舱中时,热人体模型可以与周围环境完全耦合,对流、辐射、与座椅的接触、蒸发、呼吸和湿度会被同时考虑。

THESEUS‑FE软件中包含可使用的有限元模型,适用于久坐和站立姿势的典型冬夏季服装。FIALA-FE的常见应用领域是:

  • 汽车、巴士、火车和飞机中的乘员舒适性研究
  • 建筑物的热环境评估,例如办公室

Pennes生物热方程

模拟热生理学的核心公式。

Pennes生物热方程公式
Pennes生物热方程的公式

FIALA-FE数学模型的核心是生物热方程。这个微分方程通过传热和储热来平衡被动系统的内部能量,换句话说就是新陈代谢和血液流动。 在数学上,人类有机体被分为两个相互作用的系统:控制主动系统和受控被动系统。FIALA-FE在复杂模型中结合了被动和主动系统。在广泛的环境条件下,使用测试对象与人体热反应的真实试验结果非常吻合。

被动和主动系统

体内热量产生和调节的热生理机制。

显示FIALA-FE模型中使用调节机制的图像
FIALA-FE模型中使用的调节机制

FIALA-FE将被动和主动系统结合在一个复杂的模型中,并与实验结果非常吻合。通过动脉的血液流动传递热量并导致身体变暖。在寒冷的环境中,血管变窄(血管收缩),导致血流受限或减慢,保持体温并增加血管阻力,从而减少到达皮肤表面的热量。在较温暖的环境中,血管变宽(血管扩张)。血液的流动由于血管阻力的减少而增加,更多的热量到达皮肤表面。


被动系统

人体的热平衡表现为:

  • 人体细分为身体元素(球体或圆柱体)、扇区和层
  • 每个扇区的独立服装层
  • 用新的有限元方法模拟径向热传导
  • 扇区边界条件:对流、辐射、蒸发和接触(例如对汽车座椅)
  • 代谢产生热量:基础代谢、工作、寒战、Q10效应、动脉血液加热
  • 血液循环同时解决了额外的自由度,每个人体部位的静脉和动脉温度以及血池温度

主动系统

保护核心免受极端条件影响的主动系统的体温调节响应是:

  • 血管收缩和扩张:减少或增加皮肤血流的机制
  • 颤抖:肌肉层内部发热
  • 出汗:湿润的皮肤导致蒸发散热和冷却

这些现象将由皮肤温度和下丘脑温度控制。

舒适度评估

将热生理学结果转化为人体实际舒适感。

显示虚拟坐姿人体模型局部舒适性结果的图像
局部舒适指数结果示例

热舒适模型将身体热状态的物理描述转化为冷、中性或温暖、舒适或不舒适的直观类别。全局模型考虑整体的热状态,局部模型适用于某些身体部位,例如人体背部的座椅接触区。


整体舒适指数

整体舒适指数旨在以单一值描述一个人的整体舒适感。这个值可以作为给定情况下舒适度的一般表示。FIALA-FE模块包括大量常用的舒适指数和相关量。这些包括:

  • Fanger的PMV(预测平均投票数)和PPD(不满者百分比)
  • Fiala的TS(热感)和DTS(动态热感)

局部舒适指数

与整体舒适指数相比,局部舒适指数可以使您深入了解个人身体部位的舒适度。这可用于测量局部加热或冷却所选身体部位对整体舒适状态的影响。FIALA-FE包括以下局部舒适度评估模型:

  • 基于ISO14505-2和ASHRAE 55的夏季和冬季情况的局部舒适度指数
  • 加州大学伯克利分校的舒适模型(“张氏舒适模型”)
  • 局部等效温度

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