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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