某防暴頭盔內(nèi)置制冷墊制冷過程的數(shù)值模擬

項德海武警杭州士官學(xué)校軍械系裝備器材教研室

某防暴頭盔內(nèi)置制冷墊制冷過程的數(shù)值模擬

項德海
武警杭州士官學(xué)校軍械系裝備器材教研室

以經(jīng)典Pennes生物傳熱方程作為控制方程，在頭部幾何模型的基礎(chǔ)上，利用ANSYS-Fluent軟件建立了“人體頭部-制冷涼墊”的二維數(shù)值傳熱模型，仿真出了310K（37℃）條件下人體頭部穩(wěn)態(tài)溫度場分布。結(jié)果表明：該頭盔內(nèi)置制冷涼墊可有效降低制冷墊對應(yīng)處的皮膚溫度，最高降溫達2.7K，但對頭部皮膚平均溫度以及頭部深層處溫度無顯著影響。

制冷墊；溫度場；數(shù)值模擬

臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常在利用小型制冷裝置來進行頭部局部創(chuàng)傷治療和化療減緩脫發(fā)，如張亞君等制作了一種可對頭部局部溫度進行控制的醫(yī)療制冷頭盔，能滿足一定的醫(yī)學(xué)制冷要求。受此啟發(fā)，本文研制出了一種內(nèi)嵌于武警某新型防暴頭盔的制冷散熱涼墊（如圖1所示），為了探究該制冷散熱涼墊的降溫效果，利用流體力學(xué)軟件ANSYS-Fluent，對該制冷涼墊與人體頭部構(gòu)成的二維穩(wěn)態(tài)溫度場進行直觀展現(xiàn)。

圖1 某新型防暴頭盔內(nèi)置制冷墊

1.熱傳導(dǎo)方程

人體頭部由腦組織、血管、骨骼、皮膚、腦脊液等多個部分有機組成，為了問題研究的方便，借鑒多節(jié)點模型對人體組織的劃分方式，將頭部從外至內(nèi)簡化為皮膚層、骨骼層、腦組織層三個主要部分。選取頭部的一個縱向準橢圓切面作為研究對象，分別將橢圓長徑設(shè)為184mm，短徑設(shè)為150mm，底邊設(shè)為82mm。將頭部從外至內(nèi)簡化為皮膚層、骨骼層以及腦組織層三層結(jié)構(gòu)，皮膚層和骨骼層的厚度分別設(shè)置為2mm、12mm，其余區(qū)域按腦組織層處理。采用Pennes方程來描述頭部各組織層的穩(wěn)態(tài)傳熱過程，其具體表述為：

據(jù)此分別寫出頭部皮膚層（skin）、骨骼層（bone）、腦組織層（brain tissue）的熱傳導(dǎo)控制方程如下：

公式中s、b、bt分別代表頭部皮膚層（skin）、骨骼層（bone）和腦部組織層（brain tissue）。

2.仿真參數(shù)設(shè)置

本文的仿真參數(shù)主要包括制冷散熱涼墊的制冷量、環(huán)境溫度以及人體頭部各組織層的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、新陳代謝量和血液灌注率等。在ANSYS-Fluent軟件中，將制冷墊的制冷量設(shè)定為6×10-3W/cm2（這里的制冷量，由制冷墊在ANSYS-Fluent軟件中的計算數(shù)據(jù)換算而得），環(huán)境溫度設(shè)置為308K。采用生理界常用的“標準人（standardman）”的概念，分別將皮膚、骨骼、腦組織的密度設(shè)置為1000 kg·m-3、1500kg·m-3、1000kg·m-3，血液灌注率設(shè)置為0.35 kg·m-3·s-1、0、6.232 kg·m-3·s-1（這里假設(shè)骨骼層由均勻固態(tài)物質(zhì)組成），導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為0.209W·m-1·K-1、0.581W·m-1·K-1、0.5W· m-1·K-1，代謝產(chǎn)熱設(shè)置為0、0、9678W·m-3。頭部血液溫度和比熱容分別取值為310K、3850J·Kg-1·K-1。

3.數(shù)值模擬結(jié)果與分析2

在迭代次數(shù)為2000，殘差監(jiān)控臨界值為1e-07的情況下，得出了“人體頭部-制冷涼墊”系統(tǒng)的二維穩(wěn)態(tài)溫度場分布，如圖2所示。

圖2 “人體頭部-制冷涼墊”系統(tǒng)二維穩(wěn)態(tài)溫度場

由圖2可知，制冷墊對應(yīng)的頭部皮膚處最低溫度為301.91K，頭部其它皮膚溫度為304.61K，二者相差2.7K，表明該頭盔內(nèi)置的制冷墊對頭部局部皮膚處的降溫效果十分明顯，對頭部皮膚的整體降溫效果不明顯。此外，從圖2還可看出，頭部骨骼層及骨骼層以下區(qū)域的溫度幾乎沒有什么變化，分布在307.30K與310.00K之間，表明該制冷散熱墊不會將制冷量傳遞至頭部皮膚層以下的深層區(qū)域，不會影響到頭部深層區(qū)域的新陳代謝及其它生理活動，說明該制冷方式是安全可行的。本文的研究可為人體頭部防護著裝的散熱設(shè)計提供一定的技術(shù)牽引指導(dǎo)。

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