基于 FLUENT 软件的微正压防护服仿真

基于 FLUENT 软件的微正压防护服仿真

管明乐 谢友晨 祝名远 宋天刚 陈广发

江南大学机械工程学院 214000

现阶段的防护服俨然不能满足医护人员的最优使用，高强度的医护作业下，任何微小的因素都可能导致操作失误，而防护服更不应该成为医护人员工作过程中的绊脚石。在结合正压防护服的基础上，本文提出一种新型医用防护服，实现防护服内部工作环境的微正压，提高防护服内部空气的流动性，增加散热、提高热舒适。微正压式防护服旨在头部和身体其他部位（如大腿、小腿、膝盖、后背）添加进风口和排风口，具有动力送风、排风，高效过滤以及全身包覆功能的个体防护装备。

本文研究内容为微正压防护服的热舒适性，这直接影响着医护人员的工作效率、工作时间以及身体状态。通过实验方法检测微正压防护服性能，在FLUENT软件的支持下实现仿真模拟，得到微正压防护服内部流速和温度场的云图或者矢量图。为微正压防护服的进一步优化、提高热舒适性能提供了仿真基础。并且为医用防护服的改良提供进一步的优化改进方案。

初始阶段，构建防护服、人体的三维模型，防护服模型减去人体模型就能得到防护服内部流体域。防护服和人体的三维模型参考现有防护服结构通过 SCDM/ICEM CFD软件建模。仿真实验主要关注微正压防护服内部的流场状态，因此在前处理中对实验模型进行了简化，以减小运算过程中的数据压力。该防护服模型共有一个进气口四个排气口，大小形状为d=5cm圆形。进气口位于头部左侧，出气口分别位于左侧大腿、小腿、膝盖、后背处。

第二步，使用 ICEM CFD软件对简化后的模型进行网格划分，经过对模型多次优化以及调整网格尺寸，得到的微正压防护服流体域网格单元总数为 82449 左右偏斜率最大为0.44，网格质量很好。

第三步，设置边界条件会使 FLUENT 仿真得到的模拟结果更真实。已知防护服内部流体域主要成分为空气，加速度为9.8m/s²。打开软件内能量方程，设置湍流条件。正常工作状态下的防护服内部稳定压强为200Pa。边界条件主要包括了入口和出口的流速、防护服内部压力200Pa，环境温度300K，人体皮肤温度304K等。仿真计算过程选用 SIMPLE 算法判断计算结果是否收敛。将收敛后的流速和温度以矢量图或者云图的形式表示，可以直观地观察微正压防护服内部流场的基本状态。据实验分析，除头部外, 人体显性出汗最多的部位在后背, 相比于上背, 中下背的显性出汗率更大, 而且由躯干到四肢呈现逐渐减少的趋势, 四肢的出汗率最低。所以实验分析平面设置在后背一侧。

仿真实验的自变量分别是送风量和不同位置处排风口。因变量是对微正压防护服热舒适性的影响。为研究送风量对正压防护服内部温度场的影响，仿真中设置了入口流速为 0.85 m/s、1.70 m/s、2.25 m/s。经软件计算和后处理得到防护服内部流速矢量图和温度云图，所得平均温度（℃）300.8834，300.7774 ，300.7411；平均流速（m/s）为0.1198，0.2423，0.3341。

实验设置进风口在头部，排风口在大腿侧。三种流速下，小臂和小腿处的温度略高于其他部位。整体来说，温度云图和流速矢量图很大程度相似。随着流速的增加，防护服内的平均温度、平均流速均有不同幅度的降低，有利于改善防护服的热舒适性。送风的基本目的是为了满足穿着者呼吸需要以及使防护服整体所需正压值。一般地风量越大 防护服内部散热、散湿性能越好。但研究表明密闭式防护服导致不同程度听觉钝化，流速产生的噪音对穿着者的影响不可知，风量和热舒适性之间的确切关系仍需进一步研究。

为研究排风口不同位置对微正压防护服内部流速和温度场的影响，分别在模型的大腿、小腿、膝盖、后背设置大小一样、流速相同出风口，流速v=1.70m/s。经软件计算和后处理得到防护服内部流速矢量图和温度云图，所得平均温度（℃）300.7774，300.7421，300.7545，300.8195；平均流速（m/s）为0.2423，0.3115，0.2758，0.2583。

随着排风口位置的高度增加，防护服内平均温度有所上升，不利于改善防护服的热舒适性。但是平均流速在腿部随着高度的降低，有所增加。后背处设置排风口，平均流速优于大腿侧，并且流速矢量图分布均匀。一般地流速越均匀，防护服散热、散湿性能越好，穿着的热舒适性越高。

后背排风口式流速矢量图

本文以微正压防护服为研究对象,基于此仿真方法模拟了微正压防护服在不同流速和不同位置的排风口的工作状态。通过软件模拟仿真验证了不同方案的有效性，为正压防护服热舒适性的优化改进提供了调整方向。

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