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本论文在查阅大量文献及前人研究成果基础之上,提出了采用工程热物理与纺织材料学相结合的方法对着装后的人体上臂的传热特性进行了研究。在经典生物传热方程的基础上,结合人体上臂特有的组织结构,传热模式,着装面料的特点以及环境条件,建立适合人体上臂的传热模型,并且利用有限元分析方法重构人体上臂断面温度场,从而对纺织材料舒适性研究实现了数字化和定量化,使研究结果更具理论性和说服力。本论文的研究目的在于探明纺织材料特性与上臂温度场之间的特征关系,尤其是导热系数对上臂温度场的影响。由于生物组织传热的复杂性,在进行建模时同时考虑了上臂内部动脉血管的结构和分布,血液灌注率及生理代谢率对上臂温度场的影响,从而使结果更精确可信,并为进一步的上臂三维温度场乃至于整个人体三维温度场的求解提供有效方法和理论依据。
本文使用大型有限元分析软件ANSYS对上臂断面二维温度场进行数值模拟,以穿着不同面料服装的人体上臂为模型,建立相应的传热方程。建模时,由于肌肉层和服装面料层导热系数不同因而构成了两层复合传热,而相关文献资料中仅对一种导热系数的单层传热的计算方法有所报道,因此本文对两层复合传热.的计算方法进行了大胆的尝试和探索。在计算过程中,本文分别对15℃和27℃两种环境温度条件下的上臂温度场进行计算,并进行了相应的温度变化趋势分析。
透过研究表明,对于同一种服装面料,环境温度的改变对上臂表面温度场的影响不大,而对于同一种环境温度,服装面料的改变对上臂表面温度场则有显著影响。导热系数大的服装面料传热性能更好,能更快地向环境散热。同时上臂内部动脉血管的分布对温度场有较大影响,越靠近大血管附近的组织温度越高,最高温度可以达到36.7℃,而越接近皮肤表层组织温度越低,此时温度场受环境温度因素的影响加大。本研究结果具有很强的实用价值,成功的将传热学数值模拟的研究方法运用到了纺织面料和服装的热舒适性的研究当中,实现了多学科的交叉,为今后建立更为复杂和全面的人体的传热模型做了重要的前期研究。