目录 1
第1章 绪论 1
1.1 人体热调节系统数学模型研究概述 1
1.1.1 人体温度分布的研究 2
1.1.2 人体热调节的研究 7
1.1.3 边界条件的处理 12
1.1.4 国外人体热调节数学模型研究的总结 14
1.1.5 我国人体热调节数学模型研究的回顾 17
1.1.6 本书主要内容 18
1.2.1 非均匀温度环境下人体热调节系统数学模型研究 22
1.2 本书内容涉及的研究工作背景 22
1.2.2 冷环境下的人体热调节系统数学模型研究 25
1.2.3 冷热宽温度环境下的人体热调节系统数学模型研究 28
1.2.4 人体热调节系统数学模型在舱外航天服热设计中的应用 30
1.2.5 人体热调节系统数学模型在舱外航天服手套热分析中的应用 34
参考文献 37
第2章 准二维人体热调节系统数学模型 48
2.1 人体温度控制系统的组成和原理 48
2.1.1 被控系统的数学模型 50
2.1.2 控制系统的数学模型 65
2.2 实验结果与模拟计算结果的比较 70
2.2.1 液冷服实验简介 70
2.2.2 实验数据处理 71
2.2.3 实验结果与模拟结果的对比分析 72
参考文献 82
第3章 热环境下二维人体热调节系统数学模型 85
3.1 人体热调节系统数学模型 85
3.1.1 人体热调节系统的组成 85
3.1.2 人体热调节生理学基础 86
3.1.3 人体热调节系统数学模型概述 92
3.2 被控系统数学模型 93
3.2.1 人体的划分 93
3.2.2 人体几何参数及质量的确定 95
3.2.3 人体热物理参数与热生理参数 96
3.3 控制系统数学模型 100
3.3.1 人体热调节的生理学模型 100
3.3.2 控制系统数学模型简要回顾 102
3.3.3 控制系统数学模型的建立 104
3.4 人体血液对流换热分析 118
3.4.1 血液对流换热模型 118
3.4.2 血管换热效率 123
3.4.3 血液对流换热分类 125
3.4.4 血流对流换热计算模型及中央血液热平衡方程 126
3.4.5 中央血液的能量平衡方程 128
3.5.1 人体生物热方程的推导 129
3.5 人体生物热方程 129
3.5.2 关于生物热方程的讨论 132
3.6 人体生物热方程的数值求解方法 133
3.6.1 控制方程的离散 133
3.6.2 生物热方程源项的线化处理 136
3.6.3 节点离散方程 138
3.6.4 血液温度的计算 148
3.6.5 人体温度场计算过程 149
3.7 人体生物热方程的边界条件 150
3.7.1 人体同环境间的换热途径 150
3.7.2 人体着装条件下的外边界条件 154
3.7.3 着液冷服时的外边界条件 158
3.7.4 统一形式的外边界条件 164
3.8 非均匀热辐射对人体温度影响的实验研究 165
3.8.1 试验设计 165
3.8.2 实验结果及其分析 171
3.9 典型温度环境条件的计算结果 181
3.9.1 低温环境 181
3.9.2 高温环境 183
3.9.3 计算结果同实验结果的对比分析 189
3.9.4 程序动态性能考核 206
3.9.5 同其他模型计算结果的比较 215
3.10.1 热-振动复合环境因素对人体热调节的影响 219
3.10 热-振动复合环境下人体热调节系统数学模型 219
3.10.2 热-振动复合环境下人体热调节系统数学模型 220
参考文献 225
第4章 冷环境下二维人体热调节系统数学模型 231
4.1 冷环境对人体的影响及其评价 231
4.1.1 冷环境对人体的影响 231
4.1.2 对冷环境影响的评价与应用 236
4.1.3 风冷指数 240
4.1.4 冷耐受能力 241
4.2.1 干换热 251
4.2 人体与环境间的热交换 251
4.2.2 湿换热 255
4.2.3 服装对热交换的影响 257
4.3 冷环境下人体温度调节系统数学模型 261
4.3.1 人体热调节系统与人体温度调节 261
4.3.2 冷环境下人体温度调节系统数学模型概述 265
4.3.3 受控系统数学模型 266
4.3.4 控制系统数学模型 276
4.4 人体生物热方程数值求解 285
4.4.1 数值求解方法 285
4.4.2 离散网格 285
4.4.3 离散方程的一般形式 289
4.4.4 血液温度的计算 292
4.4.5 人体温度场的求解 293
4.5 冷环境下人体温度分布的实验研究与数值模拟 294
4.5.1 实验研究 294
4.5.2 计算结果与对比分析 304
4.5.3 讨论 333
参考文献 333
第5章 冷热宽温度环境下二维人体热调节系统数学模型5.1 冷热宽温度环境下人体热调节系统的数学模型 338
5.1.1 人体热调节模型概述 338
5.1.3 模型参数的选择 340
5.1.2 人体的划分 340
5.1.4 数学模型的建立 342
5.2 人体生物热方程的有限元数值求解 355
5.2.1 单元网格划分 355
5.2.2 有限元方程建立 357
5.3 冷热宽温度范围人体温度分布的实验研究及数值模拟 364
5.3.1 实验概况 364
5.3.2 实验结果与计算结果的对比与分析 367
参考文献 387
第6章 人体热调节系统数学模型在舱外航天服热设计中的应用6.1 “人体-液冷服-环境”的传热数学模型 389
6.1.1 液冷服结构 389
6.1.2 液冷服换热管网传热模型 390
6.1.3 “人体-液冷服-环境”热系统数学模型 393
6.1.4 实验与计算结果的对比分析 399
6.2 “人体-液冷通风保温服-外环境”的传热数学模型 411
6.2.1 通风保温服与内、外环境换热 411
6.2.2 通风系统的热分析 417
6.2.3 人体-液冷通风保温服-外环境的传热数学模型 422
6.3 出舱航天服液冷通风保温服的实验研究 428
6.3.1 实验目的 428
6.3.2 实验原理 429
6.3.3 实验状态及程序 430
6.3.4 被试人员及实验设备 435
6.3.5 实验测量参数 436
6.3.6 实验及计算结果的对比分析 436
参考文献 449
第7章 人体热调节系统数学模型在舱外航天服手套热分析中的应用7.1 舱外航天服手套及低温作业工效 454
7.1.1 舱外航天服手套 455
7.1.2 舱外航天服手套的低温作业工效 458
7.2 “手-手套-外环境”热系统数学模型 462
7.2.1 手的物理模型和参数 462
7.2.2 手的生物热方程 465
7.2.3 手的传热边界数学模型 467
7.3 手和舱外航天服手套的温度分布实验研究 469
7.3.1 实验设计 470
7.3.2 实验结果分析 475
7.4 计算与实验结果比较分析 484
7.4.1 裸露手的温度场 485
7.4.2 模拟手套不加热时手-手套的温度场 489
7.4.3 模拟手套加热时手-手套的温度场 492
参考文献 495
附录A 人体的几何参数、热物理参数及生理参数的确定A.1 身体的密度、脂肪与非脂肪质量［1］ 500
A.1.1 身体密度 500
A.1.2 脂肪质量分数 500
A.1.3 脂肪与非脂肪质量 500
A.2.1 节段各层的质量分配 501
A.2 各单元的质量分配及几何参数 501
A.2.2 人体的表面积 502
A.2.3 节段的几何尺寸 503
A.3 热物理参数及生理参数的选择 505
A.3.1 热物理参数 505
A.3.2 热生理参数 505
参考文献 507
附录B 差分求解方法中的节点离散方程 510
B.1 内节点差分方程 510
B.1.1 球体节段 510
B.1.2 圆柱体节段 513
B.2 边界节点差分方程 514
B.2.1 内边界节点差分方程 514
B.2.2 外边界节点差分方程 518
B.3 核心节点差分方程 523
B.4 混合节点差分方程 525
B.4.1 混合内边界节点方程 531
B.4.2 混合内节点方程 534
B.4.3 混合外边界节点方程 536
B.5 离散方程的一般形式 539
C.1 单元网格的划分 544
附录C 人体生物热方程的有限元数值求解 544
C.2 泛函的形成 546
C.3 单元温度场的离散 547
C.3.1 温度插值函数 547
C.3.2 等参变换 550
C.3.3 温度场的离散 552
C.4 单元的变分计算 553
C.4.1 六节点三角形单元变分计算 553
C.4.2 八节点四边形单元变分计算 554
C.5 高斯数值积分 555
C.6 总刚度矩阵形成 557
参考文献 559