VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Задача математического прогнозирования состояния системы «Человек – теплозащитная одежда – среда» сводится к разработке математической модели теплового режима данной системы с учетом всех присутствующих факторов среды, специфики профессиональной деятельности, физиологии человека и принципов устройства теплорегулирующих конструкций.

Проблема математического моделирования процессов теплообмена в организме человека была рассмотрена в ряде работ, посвященных нормированию, прогнозированию и регулированию теплового состояния человека [1]. Ряд работ базируется на принципах, заложенных авторами Столвик, Харди. В основе данных моделей лежит принцип идеализации человеческого тела. Данные работы основаны на представлении человеческого тела как совокупности геометрических элементов, большинство из которых являются цилиндрами. Организм человека рассматривается как система взаимодействующих составляющих одного целого. Такими составляющими являются слои выделенных цилиндров: ядро, мышцы, жир, кожа. Эти слои образуют элементы системы, то есть части тела человека, названные сегментами. В большинстве работ таких сегментов выделяют 6: голова, туловище, рука, ладонь, нога, стопа. Математическая модель Столвика [1] рассматривает тепловое состояние человека как изолированного объекта, без одежды. Этот подход позволяет математически представить процесс теплообмена человека вне действия на него внешних факторов, в том числе тепловых раздражителей. С точки зрения геометрического представления аналогичным образом рассматривается тело человека в других работах [2,3], где элементы тела представляют собой цилиндры различной величины, а голова - сферу.

В работе [2] математическая модель терморегуляции человека рассматривает его аналогично выше рассмотренной модели, то есть изолированной системой, а среди составляющих системы выделены мозг, кожа головы, внутренние органы, мышцы туловища, кожа туловища, мышцы конечностей, кожа конечностей, кровь. В основе терморегулирующей функции лежат способность человеческого организма к потере излишнего тепла и регулирующее свойство кровотока. Однако модель учитывает нормативную величину потери тепла, когда не происходит усиленного потоотделения, а теплоотдача испарением составляет постоянную величину и равна 20% от общей теплоотдачи [4].

В работе [3] математическая модель описывает «тепловое состояние человека в одежде с обогревом, но не учитывает испарительных теплопотерь с поверхности кожи и при дыхании, которые могут достигать 27 % общих теплопотерь организма. Обогрев осуществляется конвективным теплом, которое не оказывает прямого контактного действия на поверхность тела человека и не является предметом ограничения эргономических показателей конструкции одежды.

Математическая модель в работе [5] «представляет собой описание частей тела человека, представленных в виде сферы (голова) и цилиндров (туловище, руки, ноги), на которых, в свою очередь, выделяются участки, закрытые пакетами одежды». В модели отсутствует учет системы физиологической терморегуляции организма, так как человек рассматривается в состоянии теплового баланса, что является существенным недостатком данной модели.

Многочисленные человеческие биотепловые модели были развиты в прошлые несколько десятилетий с целью расчета человеческого теплового поля и оценки потерь тепла тела в устойчивой и однородной тепловой окружающей среде при различных уровнях активности, чтобы связать человеческий терм регуляционный аппарат. Развитие началось с аналитических биотепловых моделей Pennes и Weinbaum и Jiji, содержащими два узла «ядро» и «кожа», с работой Gagge развитие перешло к моделям единственного сегмента и мультисегмента (мультиузла) человеческого тела и решение терморегуляции, которые были первоначально развили Stolwijk и Wissler . Последующие биотепловые модели Хьюзенги и Хоя (известный как модель Беркли), и модель Кобаяши и Fiala и др.и Salloum и др. (известный как модель AUB) были расширениями и улучшениями мультисегментной модели ,так как экспериментальные данные о человеческой физиологии и человеческой сердечно-сосудистой системы стали более доступными. Мультисегментальные биотепловые модели основаны на теориях физиологии, термодинамики и транспортных процессов для моделирования тепловых распределений всего человеческого тела или его части. Более сложная 3D конечно-элементная биотепловая модель элемента была также развита Смитом (известный как модель KSU), но эта модель в вычислительном отношении препятствует интеграции теплового распределения модели и расчета состояния человеческого теплового комфорта. Немногие из развитых мультисегментированных биотепловых моделей имели дело с пространственно- неоднородной и нестационарной окружающей средой. Есть потребность в развитии точных в вычислительном отношении эффективных биотепловых моделей для нагого и одетого человека, которые способны к расчету периферического изменения температуры кожи в ответ на переходную неоднородную окружающую среду. Модель AUB (Американский университет Бейрута) использовала точный и реалистическое представление артериальной системы включая пульсацию кровеносной системы. Модель AUB была основана на точных анатомических данных о человеческом теле и реальные измерения и анатомического положения артерий в теле [6-8].

UTCI-FIALA математическая модель человеческого регулирования температуры, представляет собой мультиузловую динамическую модель человеческой физиологии и теплового комфорта. В ее основе лежит новый универсальной тепловой индекс климата (UTC). После многочисленных тестов проверки, адаптации и расширения, такого как, включение адаптивной модели одежды, модель была использована для прогнозирования температуры человека и нормативных ответов на комбинации преобладающих в открытых климатических условиях. Обработанные задачи включают в себя моделирование тепло- и массообмена в теле, численные методы, моделирование экологических теплообменников, терморегулирующей реакции центральной нервной системы, а также обработку результатов для разработки адаптивной модели одежды для наружного климата.

Первоначально модель была разработана в 1998 году Д. Фиала [8] , чтобы рассчитать человеческие тепловые реакции, связанные с тепловым ощущением в широком диапазоне условий. Модель позволяет термическое воздействие на человека, которые могут быть проанализированы для переходных и гетерогенных условий по отношению таким воздействиям окружающей среды и различным уровнем активности. Соответствующая компьютерная программа ИРИС- FIALA была написана на PASCAL, и компилируется для работы на платформах Microsoft DOS / Windows ® (включая Windows XP и Vista).

Рисунок 1 – Схема внутреннего представления модели Fiala [8].

Компьютерное моделирование системы терморегуляции человека является ценным инструментом исследования и способствуют более глубокому пониманию принципов человеческой терморегуляции. Кроме физиологического исследования, имеет интерес для прогнозирования физиологического комфорта человека, дает ответы и в других дисциплинах науки и техники.

1. Stolwijk J.A.J., Hardi J.D.Matematikal model of phisiological temperature regulation in man. Washington.1971.

2. Ермакова И.И. Исследование динамических процессов в системе терморегуляции человека методом цифрового моделирования: Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н. – Киев. – 1974. –162с.

3. Жаворонков А.И. Давыдов В.В. Расчет теплообмена системы «Человек-одежда» в процессе проектирования изделий // Швейная промышленность.-1976.-№6. –С.26-27

4. Бартон А.С., Эдхолм О.Ж. Человек в условиях холода. – М.: Иностранная литература, 1957.-346с.

5. Расторгуева Л.Н. и др. Специальная одежда с улучшенными теплозащитными свойствами / Расторгуева Л.Н., Чубарова З.С., Левченко А.Н. // Швейн. Пром-ть. – 1991. - №1. – с.37-39.

6. Hodder S., Parson K. Initial thermal sensation responses to simulated solar radiation. 13th International Conference on Environmental Ergonomics. BOSTON, MASSACHUSETTS, USA, pp. 230 – 235, 2009.

7. Zhang H., Huisenga C., Arens E., Yu T. Considering individual physiological differences in a human thermal model. Journal of Thermal Biology # 26, pp. 401 – 408, 2001.

8. Model Fiala [электронный ресурс] .Код доступа http://www.iesd.dmu.ac.uk/~yzhang/wiki/doku.php?id=software:model:iesd_fiala:introduction