服装功效学 教学课件

SOOCHOWUNIVERSITY第五章服装热湿舒适性的数学描述SOOCHOWUNIVERSITY三维人体模型人体热湿生理模型数字人体织物热湿模型动态热生理分析数字化模拟穿着中人体服装动态热湿分布服装热湿舒适性分析与设计概述SOOCHOWUNIVERSITY5.1人体热调节机制及其数学模型一、人体热调节机制1.人体热调节系统的组成人体热调节系统的组成是相当的复杂的。该系统由外周和中枢温度感受器、体温调节中枢、效应器等构成。从控制论的观点来看，可以看作一个基于负反馈原理的闭环控制系统。在该系统中，体温是输出量，身体的基准温度为参考输入量。与一般的闭环控制系统类似，它也包括测量元件、控制元件、执行机构和被控对象等SOOCHOWUNIVERSITY视前神经元肌肉紧张汗液量血管舒缩度体热含量中枢及皮肤感受器环境工作下丘脑控制系统效应系统受控系统人体热调节系统控制框图SOOCHOWUNIVERSITY2、人体热调节生理学基础5.1人体热调节机制及其数学模型（1）温度感受器外周温度感受器对温度的感受很灵敏。它分布在全身皮肤或某些膜上，并于神经末稍相联系。外周温度感受器能以0。7m/s的速度将温度刺激导致的兴奋转化为神经冲动，并迅速传送到体温调节中枢，从而引起中枢的兴奋。感受温热刺激的是Ruffini小体，位于皮肤深处1mm真皮与皮下组织中。感受寒冷刺激的是Krause小体，位于真皮层中。中枢性温度感受器指的是存在于下丘脑、脑干网状结构、脊髓中的一些对温度变化敏感的神经元。SOOCHOWUNIVERSITY（2）体温调节中枢在下丘脑前部和视前区一带存在密集的热感受神经元和少量的冷感神经元，这些神经元起到温度检测的作用；下丘脑前部和视前区存在高频放电的中枢性温度感受神经元，其放电水平与中心温度呈正相关，即当中心温度超过正常的温度37度时，温度感受神经元受热的刺激放电增多，发放神经冲动使散热中枢兴奋，从而加强散热。与此同时，产热中枢受到抑制，从而产热减少。相反，当中心温度低于37度，温度感受神经元的放电减少，使散热反应受到抑制，而产热反应增加。引起温度感受神经元兴奋的阈值称为调定点。SOOCHOWUNIVERSITY（3）效应器效应器是由血管、汗腺和肌肉组成。汗腺活动人体的汗腺分为两种：第一是大汗腺，局限于腋下和阴部区域以及手脚，他们对体温调节性出汗不起明显的作用；第二种是小汗腺，广泛分布在全身，总数约是250万个，由交感神经支配，只在受到刺激时分泌。当环境温度高于体表温度或体表温度高于体内深层温度时，皮肤血管扩张的散热机制即告失效，此时体表的汗液蒸发就成为身体向外界散热的唯一途径。SOOCHOWUNIVERSITY血管扩张和收缩人体组织的导热系数一般都比较小，所以体内不同部位之间的热量传递主要通过血液的对流换热来完成。从传热学的观点出发，如果将血液对流换热作用折合成对组织导热系数的修正，就可以发现，组织中血流量的大小将直接影响从人体核心到体表的温度梯度，从而改变人体的散热情况。肌肉运动肌肉运动是提高身体产热的主要方法，当血管运动的调节不能弥补寒冷引起的散热增大，仅靠基础代谢产热又不足以维持体温时，肌肉运动开始加强以增加产热防止体温下降SOOCHOWUNIVERSITY二、人体热调节系统的数学模型人体热调节模型的分类（1）“纯生理学“模型：用来探索人体热调节的正常生理学基础以预测生理学反应；（2）”应用生理学“模型：用来预测事故疾病临床治疗对热调节的影响；（3）”工程生理学“模型：用来模拟体温的变化，确定环境应激水平或分析特定的人机与环境系统的控制特性和能力。SOOCHOWUNIVERSITY1、Gagge的两层模型1971年，盖奇（Gagge）等人建立了一个双层模型（two-nodemodel）,用具有两个集中层（核心层和皮肤层）的圆柱体来描述人体，一个是被动的，另一个起到控制作用，来调节人体温度。控制系统由皮肤传感器和核心传感器构成，控制系统的输出信号可以调节皮肤血流量、出汗量。SOOCHOWUNIVERSITYTskMTcrTCcr核心MTcrTCcrEresWVblKm皮肤RC模型假定人体为两个同心单元：皮肤和人体核心。皮肤采用质量msk的薄单元表示，质量为mcr的核心表示人体体内，msk+mcr之和表示人体的总质量（m）。SOOCHOWUNIVERSITY其数学模型可用下列方程来表示人体和周围环境热平衡可用被动系统描述，其方程如下：S=M-W-(R+C+Edif+Ersw+Ecomf)-(Eres+Cres)式中：M：新陈代谢产热量；W：作功（Wm-2）；R，C：皮肤的辐射和对流散热量（Wm-2）；Edif：穿过皮肤层的水汽扩散热损失（Wm-2）；Ersw：体温调节过程中的汗蒸发散热量（Wm-2）；Ecomf::舒服状态下出汗蒸发散热量（Wm-2）;Eres、Cres：呼吸过程中的蒸发和对流散热量（Wm-2）；SOOCHOWUNIVERSITY人体核心热平衡方程：Scr=M-Eres-Cres-W-（Kmin+cblVbl）（Tcr-Tsk）式中：Kmin：无血流的皮肤组织最小导热量=5.28(Wm-2K-1);cbl:血液比热=1.163(kJKg-1K-1)；Vbl：皮肤血流率（Lh-1m-2）;Tcr:人体中心温度（oC）;Tsk:人体皮肤温度；SOOCHOWUNIVERSITY皮肤单元的热平衡方程：Ssk=（Kmin+cblVbl）（Tcr-Tsk）-Esk-（R+C）式中：Esk：皮肤平均潜热流流量（Wm-2）人体核心与皮肤的温度变化率为：dTsk=SskA/TCskdTcr=ScrA/TCcrdTmb=ФdTsk+(1-Ф)dTcr式中：TCsk：皮肤热容（WhK-1）；TCcr：人体中心热容（WhK-1）；Tmb：人体平均温度（oC）;Ф:皮肤占人体质量的实际比例。SOOCHOWUNIVERSITY皮肤血流量：Vbl=（6.3+200warmc）/（1.0+0.1colds）出汗率Regsw=170warmbe(warms/10.7)颤抖产热量M’=M+19.4coldscoldcSOOCHOWUNIVERSITY2.Stolwijk的25节点模型1966年，stolwijk等人建立了人体热调节系统的一维模型，一般称为stolwijk模型。他们采用系统工程的观点把人热调节系统分为被动系统和控制系统。从生理学意义上看，被动系统是指人体的物理构成，如解剖特性、热容量、能量产生系统等；控制系统则是指全身的神经系统和中枢神经系统。在该模型中人体被分为三个部分并抽象成圆柱体，头部包含皮肤和核心，躯干和四肢由核心、肌肉和皮肤组成。中心血液作为单独部分，以突出血液灌注的重要性。在控制系统中采用了控制论的反馈原理建立了闭环控制回路。SOOCHOWUNIVERSITY1971年，Stolwijk采用Wissler的多节段人体模型丰富和发展了他在以前的模型。他把人体分为六个节段，并假设中心血液部分通过血液循环把六个节段联系起来。头部作为一个球体，躯干，手臂、手、腿和脚作为圆柱体看待。每一节段又分为核心、肌肉、脂肪和皮肤。这样加上中心血液部分总共存在25个单元，因而又称为25节点模型。SOOCHOWUNIVERSITY123355血液4466Stolwijk的25节点模型SOOCHOWUNIVERSITY被动系统对于每一层，其热平衡方程如下：cndTn/dt=Mn-Bn-Kn-Rn-Cn-(En+Eres)式中：cn:皮肤热容量（Wh/oc）；Tn：组织温度；Mn：新陈代谢产热量；Bn：血液流动所散失的热量；Kn：传导所散失的热量；Cn：对流所散失的热量；En、Eres：水分蒸发所散失的热量。对于血液而言:CbdTb/dt=B1+B2+…..+B24式中：Cb:血液的热容量（Wh/oc）。SOOCHOWUNIVERSITY控制系统在该模型中，采用下丘脑温度作为调定点温度的基准，并且该调定点的值随环境条件和人体所处的状态而变。在所有层中的实际温度和调定点温度作比较，输出一个错误信号，从而确定是冷还是热。系统的误差信号可以用下式表示：Ferror=T-Tset式中：Ferror：系统误差信号，0C；T：单元实际温度，0C；Tset：单元调定点温度，0C；SOOCHOWUNIVERSITY各部分的每层的标准温度如下表所示SOOCHOWUNIVERSITY暖信号Wrm和冷信号Cld，通过下式来定义：Wrm＝Ｆerror,Cld＝０当Ferror0Cld＝Ferror,Wrm=0当Ferror0综合的暖信号Wrms和综合的冷信号cldsSOOCHOWUNIVERSITY皮肤血流：DL,ST分别是血管舒张与收缩信号。SOOCHOWUNIVERSITY汗水生成率打颤热生成SOOCHOWUNIVERSITYＳＫＩＮＲ（ｉ）综合权重及肌肉分布系数SOOCHOWUNIVERSITY各种控制系数SOOCHOWUNIVERSITY5.2服装热湿性能的数学描述一、Herry模型SOOCHOWUNIVERSITYHerry在提出数学模型，对问题进行了简化，即假设了一些条件：由于吸湿而因起的纤维的体积不变当通过纤维水的扩散系数远小于空气中的水的扩散系数，纤维的湿传递可忽略；当纤维直径较细和水蒸气在空气中的传播速度远大于在纤维中，织物中纤维的取向在水蒸气传递过程所起的作用很小；当纤维的直径非常小，比表面积非常大时，在此过程中纤维和空气间的热平衡瞬间完成。SOOCHOWUNIVERSITY2、质量的平衡方程xCDCCaafatt22)1(CaCfDa：纤维之间水气的累计量；：纤维中的含水的量；：通过纤维空间传递的湿气量。ε：织物孔隙度比；τ：织物有效弯度。SOOCHOWUNIVERSITY3、热量守恒公式xCCTKttTfv22)1(Cv::K：织物的体积热容量；纤维的吸湿热；织物导热系数。SOOCHOWUNIVERSITY)(RHWcsDfRfconst：是实验常数；ρ：纤维密度；：纤维表面含水量；：纤维中水蒸气的扩散率，是纤维含水量的函数；：纤维半径。SOOCHOWUNIVERSITY2、Luo等人建立了一个新的模型，将Farnwooth发表的热辐射加入到质量和热量守恒方程中，并用于描述在较大温差下的传热传湿过程；这个模型不能清楚地描述蒸发和凝结过程；3、Li等人在Herry模型的基础上多加了一个质量平衡方程来描述液态水的传递过程，以及推到出了一个液态水在多孔纺织材料中的扩散系数方程。4、wang等人提出了一个更新的数学模型，包括前面几个模型描述的所有物理机理：传导和辐射热传递，毛细液态传递，湿气扩散，凝结-蒸发，以及纤维吸湿和放湿过程。SOOCHOWUNIVERSITY二、该模型的发展eHHkxfak2111、Nordon和David提出了纤维中湿含量与周围相对湿度的实验公式，并结合几个被Herry忽视的因素给出了方程的数值解。这些表达式忽视了纤维的吸附动力学原理。其方程如下：式中：Ha：孔隙内空气的相对湿度；Hf：纤维内空气的相对湿度；K1,k2:实验常数。SOOCHOWUNIVERSITY二、该模型的发展eHHkxfak2111、Nordon和David提出了纤维中湿含量与周围相对湿度的实验公式，并结合几个被Herry忽视的因素给出了方程的数值解。这些表达式忽视了纤维的吸附动力学原理。其方程如下：式中：Ha：孔隙内空气的相对湿度；Hf：纤维内空气的相对湿度；K1,k2:实验常数。SOOCHOWUNIVERSITY二、该模型的发展eHHkxfak2111、Nordon和David提出了纤维中湿含量与周围相对湿度的实验公式，并结合几个被Herry忽视的因素给出了方程的数值解。这些表达式忽视了纤维的吸附动力学原理。其方程如下：式中：Ha：孔隙内空气的相对湿度；Hf：纤维内空气的相对湿度；K1,k2:实