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热舒适仿真与虚拟热假人

大纲的完整展开版——讲师授课蓝本 / 学员自学材料

J4-02 热舒适仿真与虚拟热假人

课程代码 J4-02 | 板块 J 仿真分析 CAE / J4 乘员舱与舒适性仿真 时长 约 4.5 小时(6 讲 + 1 次耦合仿真实操) 适合对象 仿真/试验高级工程师,热舒适专项方向(选修,专家路线) 前置 J4-01 乘员舱气流组织与温度场 CFD 乘员舱气流组织与温度场 CFD · A4-02 热舒适评价模型:PMV-PPD 与局部热舒适 热舒适评价模型 PMV-PPD · A4-05 热假人(thermal manikin)测量与人体分区模型 热假人测量与人体分区模型 本讲义定位 讲的是把 CFD 的物理场接到人体生理模型上,算出各分区皮肤温度与局部热感觉,并把它变成 HVAC/PTC 的具体动作。上游的流场怎么算准归 J4-01 乘员舱气流组织与温度场 CFD,舒适指标本身的定义与边界归 A4-02 热舒适评价模型:PMV-PPD 与局部热舒适/A4-03 等效温度 EHT 与动态/瞬态热舒适评价,实体假人怎么测归 A4-05 热假人(thermal manikin)测量与人体分区模型/L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验。本课只负责中间那一段——耦合、算人、判读、改策略。

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你现在要做的事 直接看 一句话
第一次搭虚拟热假人,不知道该选几个节点的模型 第 1 讲 1.2、1.3 节点数按你要交的响应量选,不按「越细越好」选
手上有 CFD 结果,要把它喂给假人 第 2 讲全讲,尤其 2.2、2.3 交接的是四样量加一套口径,只交云图必错
算出来的皮肤温度整体偏高/偏低,找不到原因 第 2 讲 2.2、第 5 讲 5.3 先查参考温度口径与 f_eff,再查生理参数
要判断某个工况能不能直接套 PMV 第 3 讲 3.1、3.2 三条假设逐条过;pull-down 一条都不占
要评价冬季冷启动或夏季暴晒的降温过程 第 3 讲 3.3、第 4 讲 4.1 用带变化率项的动态热感觉,且初场必须是场
单侧受晒或单侧直吹,整体指标看不出问题 第 3 讲 3.4 不对称环境要逐分区判,整体量会把它平均掉
要设 pull-down 工况,卡在初始温度场 第 4 讲 4.1、4.2 两条来路(自算长瞬态/浸车实测),⛔ 不许拍均匀初温
虚拟假人与实体假人对不上 第 5 讲 5.3 排查顺序写死四步,⛔ 不许先动生理参数
老板问「这个虚拟假人能不能替掉实车试验」 第 5 讲 5.4 能替趋势与排序,不能替绝对值与安全边界
拿到一张分区结果图,不知道该改什么 第 6 讲全讲 三档判读 → 四类动作,附动作-代价对照
只想快速查符号与口径 关键公式详解·符号表 全课统一,跨课不可互换的三个 h 单列

本课不覆盖(每样都写了去向,⛔ 别在本课里找):

你要找的 去哪门课
座舱流场本身怎么算准(湍流、辐射模型、网格、时间步、对标) J4-01 乘员舱气流组织与温度场 CFD
人体热平衡方程本体与六条散热通道的机理 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础
PMV-PPD 的定义、六个输入、三条适用假设 A4-02 热舒适评价模型:PMV-PPD 与局部热舒适
等效温度与动态热感觉模型本体、椭球探头的边界 A4-03 等效温度 EHT 与动态/瞬态热舒适评价
实体热假人的硬件、三种控温模式、h_cal 标定 A4-05 热假人(thermal manikin)测量与人体分区模型
主客观联合试验怎么设计、主观量表怎么做 L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验
一维座舱模型与 CFD→1D 分区映射(h_zone 的属主) J1-08 座舱一维多节点热模型与参数辨识(含 CFD→1D 分区映射)
浸车实测测温网格(初场来路二) L3-03 整车降温/升温性能主客观评价
分区送风策略本体、座椅与方向盘加热通风 A4-08 局部微气候与分区送风的舒适策略 · A4-06 辐射采暖/制冷与座椅、方向盘加热通风
「还能待多久」「会不会热应激」的耐受判据 A4-09 热应激与冷应激:座舱乘员的耐受判据与安全边界
除霜除雾与视野安全的判据 C5-01 前风窗除霜除雾法规与性能设计
舒适性验收限值本身(那是项目与法规,本课不产出) 项目标准 · 相关法规目录

引言:座舱 CFD 算的是空气,而投诉是人发出来的

一份做得很好的座舱 CFD,交给你的是一片温度场、一片速度场、一片辐射场。它能告诉你「驾驶员头部平面 24.3 ℃、脚部平面 18.7 ℃、左侧壁面 41 ℃」。这些数每一个都对,可它们合起来仍然答不出老板真正要问的那句话——坐在里面的人,到底舒不舒服?

这不是修辞。空气温度、风速、壁温这三个物理量,和「舒服」之间隔着一整套人体热调节生理:血管会收缩、皮肤会出汗、四肢会被优先牺牲掉以保住核心温度。同一个 18.7 ℃ 的脚部空气温度,冬天穿着薄袜、脚下还有 0.3 m/s 的贴地回流,和夏天穿着凉鞋、脚下静止空气,人的感受完全不是一回事。把温度场当成舒适结论,是这门课要拆掉的第一个等号。

虚拟热假人就是补上这一段的工具。它的本质很朴素:把人体切成若干分区,每个分区再切成核心/肌肉/脂肪/皮肤几层,写出每个节点的能量方程,把 CFD 算出的环境量作为皮肤层的边界条件代进去,解出各层温度随时间的演化。解出来的东西才是舒适评价真正要的输入——皮肤温度、皮肤温度的变化率、核心温度、各分区的湿润度。有了它们,才谈得上算局部热感觉、算整体 PMV、算等效温度。

但这条链上有一个反复被低估的风险,必须在第一页就钉住:虚拟假人在边界条件喂错的时候,照样会给你一条平滑、漂亮、看起来完全合理的皮肤温度曲线。它不会报错、不会发散、不会在残差上留痕。你把参考温度取成了出风口温度而不是近体空气温度,曲线只是整体偏低几度;你忘了乘有效辐射面积系数,辐射项高估四成,曲线只是降得快了一点。这些偏差在图上一律表现为「一条正常的曲线」,而下游拿它去定标定目标、去排 HVAC 策略优先级——错就这样进了产品。

所以这门课的重心不在「怎么把软件跑起来」,而在怎么让每一个接口量都有口径、每一条结论都有边界。六讲的分工是这样的:

  • 第 1 讲把生理模型讲透:核心-外壳两层的物理内核、多节点模型的分区与分层结构、代谢与蒸发与血流调节怎么进方程、分区服装热阻怎么给。这是你后面每一个输入的落点。
  • 第 2 讲讲耦合:单向与双向的差别与各自的失效条件、分区对流与辐射换热系数怎么定、呼吸道与湿度怎么接、时间步怎么匹配。这一讲里的口径错误是本课头号杀手。
  • 第 3 讲讲评价:局部热感觉与整体指标的关系、等效温度的稳态/瞬态边界、瞬态工况为什么不能套稳态 PMV、不对称环境怎么判。
  • 第 4 讲讲工况与初场:冬季冷启动与夏季暴晒两个 pull-down 怎么设,以及那个最容易出事的初始温度场。
  • 第 5 讲讲相关性验证:与实体假人怎么对标、参数怎么修正、对不上时按什么顺序排查、虚拟假人的适用边界在哪。
  • 第 6 讲讲落地:分区结果怎么判读,怎么变成 HVAC 出风策略与 PTC 功率分配的具体改动。

本课不给什么,先说清楚,免得你按错的期待往下读。

① 凡带代入值的算例,输入与中间结果一律是教学假设值,只为让你跟着手算一遍、体会量级与灵敏度,⛔ 不对应任何真实平台、⛔ 禁止照抄取用。

② 生理模型的具体节点数、各节点热容与血流基准值、各分区面积表、代谢率与服装热阻的项目取值——这些取决于你选的模型版本、目标人群与项目约定,本课不给数,只给判据、量级范围与该由谁确定。

③ 本课涉及的评价与试验类文件(ISO 7730、ISO 14505 系列、ISO 9920、ISO 8996,以及各主机厂内部的热舒适评价规范),未独立核对原文,故只写标准号与它管什么,⛔ 不写任何条款内容、参数与限值;版次与实施日期以现行有效目录为准。

④ 有明确属主的内容本课只写去向:人体热平衡方程本体与六条散热通道在 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础;PMV-PPD 的定义、六个输入与适用域在 A4-02 热舒适评价模型:PMV-PPD 与局部热舒适;等效温度与动态热感觉模型本体在 A4-03 等效温度 EHT 与动态/瞬态热舒适评价;实体假人硬件、控温模式与标定在 A4-05 热假人(thermal manikin)测量与人体分区模型;主客观联合试验设计在 L6-02 热舒适主观评价与假人测量试验;流场本身的建模有效性(湍流、辐射、网格、时间步)在 J4-01 乘员舱气流组织与温度场 CFD;一维座舱模型与 CFD→1D 分区映射在 J1-08 座舱一维多节点热模型与参数辨识(含 CFD→1D 分区映射);浸车实测测温网格在 L3-03 整车降温/升温性能主客观评价;分区送风策略本体在 A4-08 局部微气候与分区送风的舒适策略。

⑤ 本课不产出:座舱空气温度场(那是上游)、舒适性验收限值(那是项目与法规)、乘员安全耐受时间(那是 A4-09 热应激与冷应激:座舱乘员的耐受判据与安全边界)。

最后一句提醒,它是这门课最该被记住的一句:虚拟热假人不会让一份错的 CFD 变对,它只会把错的 CFD 翻译成一句听起来更权威的舒适结论。上游没对标过就往下耦合,你做的不是仿真,是给误差换一层包装。

第 1 讲 人体热调节生理模型基础:你解的是一套能量方程,不是一个人

虚拟热假人听上去像个 3D 人形网格,但它的计算内核里没有「人」,只有一张节点网络和一组能量方程。这一讲把这张网络拆开:为什么要分核心与外壳、为什么要分区、每个分区里的产热与散热怎么记账、服装热阻怎么按分区给。搞清楚这一层,你才知道第 2 讲耦合的那些量到底喂进了哪个方程的哪一项。

1.1 核心-外壳:一个两层模型就能解释「手脚为什么先冷」

人体不是一块均温的肉。生理上最重要的一次简化,是把身体分成核心(core)与外壳(shell)两层:

  • 核心——脑、心、肺、腹腔脏器与深层肌肉。它是产热的主要来源,也是体温调节要死守的对象。核心温 t_cr 的正常带很窄,量级在 37 ℃ 附近,偏离一两度就是生理事件而不是舒适问题(这一段的耐受边界属于 A4-09 热应激与冷应激:座舱乘员的耐受判据与安全边界,本课不展开)。
  • 外壳——皮肤、皮下脂肪与浅层肌肉,尤其是四肢末梢。它产热少,主要功能是可变热阻:通过改变皮肤血流量,外壳可以在「厚保温层」和「散热片」两种状态之间切换。

这个两层结构立刻解释了座舱里最常见的那类投诉。当环境变冷,身体的第一反应不是多产热(那要抖,代价高),而是把外壳的热阻调大——收缩皮肤血管,减少往表层输送的热量。而收缩不是全身均匀发生的:末梢(手、足)被优先牺牲,因为它们表面积-体积比大、散热快,关掉它们对保住核心最划算。

于是你得到这条链:环境变冷 → 末梢血流先关 → 手脚皮温快速下降 → 局部热感觉先掉进「冷」区间 → 乘员投诉「脚冷」,而此时躯干皮温、核心温、整体 PMV 可能都还在可接受范围。「整体达标而手脚冷」不是模型算错了,是生理本来就这么工作的。你的模型必须能算出这个分化,而这要求它至少把末梢单独成区——这就是下一节要分区的直接理由。

算例 1-A:产热总量与静坐蓄热的量级(教学假设值)

先建立量级感。取一名成年乘员,质量 m = 70 kg、身高 H = 1.72 m,DuBois 体表面积(承 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础):

A_D = 0.202 · m^0.425 · H^0.725 = 0.202 × 70^0.425 × 1.72^0.725

70^0.425 = e^(0.425 × ln70) = e^(0.425 × 4.248) = e^1.806 = 6.086 1.72^0.725 = e^(0.725 × ln1.72) = e^(0.725 × 0.5423) = e^0.3932 = 1.482

A_D = 0.202 × 6.086 × 1.482 = 1.82 m²

静坐驾驶取代谢率 M = 1.2 met(这是行业典型区间的低端锚点,静坐 1.0~1.2 met、平稳驾驶 1.2~1.5 met;⚠ 典型值,⛔ 非验收依据,项目取值须按 ISO 8996 的方法确定):

M = 1.2 × 58.15 W/m² × 1.82 m² = 127 W

机械功 W ≈ 0(静坐几乎不对外做功)。这 127 W 就是你的模型里全部热量的来源——整个人体只有这么多瓦可分配。记住这个数,后面每一次「某个分区散热 60 W/m²」的估算,你都可以立刻问一句:乘上面积以后,还在这 127 W 的账里吗?

再算蓄热的量级。设某一时刻全身净蓄热 S = +20 W(散不掉,开始积热)。人体平均比热容取 3.5 kJ/(kg·K)(⚠ 这是行业常用的量级锚点,人体含水量高故接近水的一半以上;⛔ 非验收依据):

dT/dτ = S / (m · c) = 20 / (70 × 3500) = 8.16 × 10⁻⁵ K/s = 0.29 K/h

这个数说明了什么:人体整体温度的时间常数以小时计。而座舱 pull-down 的工程关注窗口是几分钟到十几分钟。两者差一到两个数量级 ⇒ 在 pull-down 窗口内,核心温几乎不动,全部戏份都在皮肤层。这条结论有直接的工程后果:pull-down 工况下你该盯的响应量是分区皮肤温度与它的变化率,⛔ 不是核心温;把核心温画成主曲线的报告,等于把一条在窗口内近似水平的直线当成了结论。

核心-外壳两层模型示意图。画面中央画一个简化人体正面轮廓(头、躯干、两臂、两腿),轮廓内部用一条闭合虚线圈出中央区域标注「核心 core:脑·心·肺·腹腔脏器·深层肌肉,产热主体,t_cr 约 37 ℃ 量级,调节目标是把它守住」,虚线与人体外轮廓之间的环状区域标注「外壳 shell:皮肤·皮下脂肪·浅层肌肉,产热少,功能是可变热阻」。核心区内画一个热源符号并标「代谢产热 M−W」。从核心指向外壳画三支粗箭头,分别标「血流对流输热(可调)」,箭头旁画一个阀门符号标「皮肤血流调节:冷则收缩、热则舒张」。外壳向外画四支细箭头分别标「对流 C」「辐射 R」「皮肤蒸发 E_sk」,另从头部单独引一支箭头标「呼吸 C_res + E_res(只挂核心/肺节点)」。人体的手与足位置各画一个加粗的圆圈,圈旁标「末梢优先关断:表面积-体积比大,先收缩最划算 ⇒ 手足皮温先掉」。画面右侧画一条竖直的温度轴(只标轴名「温度」与方向,不标数值刻度),轴上自上而下标三个带状区间:「核心温带(窄)」「躯干皮温带」「末梢皮温带(宽,随环境大幅摆动)」,用大括号标出末梢带明显更宽。画面底部一行小字写「本图为结构示意,不含任何数值刻度,不得据图取值」。
图1 该从图上读出的判断有三条:① 人体只有一个产热源(核心的 M−W),外壳是可变热阻不是热源;② 核心到外壳的热流由血流这个阀门控制,所以外壳温度不由环境单独决定;③ 末梢的皮温带明显比核心宽——「整体达标而手脚冷」是生理的正常输出,不是模型算错。本图为结构示意,不含数值刻度,⛔ 不得据图取值。

1.2 分区多节点模型:分区数与分层数各自解决一个不同的问题

两层模型讲清了机理,但它给不出「左脚比右脚凉 2 K」这种工程要的答案。要拿到分区结论,模型必须在两个方向上同时展开:

方向一:沿身体表面分区(zone)。把人体切成头、面、颈、胸、背、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足等若干块。分区解决的是「空间分辨率」问题——你想区分到哪一级,就得切到哪一级。想回答「是小腿凉还是脚掌凉」,小腿和足就必须是两个区。

方向二:沿深度分层(layer)。每个分区内部再沿径向切成核心/肌肉/脂肪/皮肤几层(不同模型的层数与命名不同)。分层解决的是「时间响应」问题——热量从核心传到皮肤要时间,层数决定了模型能不能刻画这个延迟。单层模型的皮温会跟着环境瞬间跳变,那是非物理的。

两个方向再由血流耦合起来:中央血池把各分区的血流汇总、交换热量,再分配回去。这就是为什么一个分区的皮温不只取决于它自己的环境——你把脚捂热了,通过血流回路,整个人的热感觉都会好转,这条效应只有带血流耦合的模型算得出来。

分区多节点人体模型的二维结构图。左半部分画一个人体正面轮廓,用横向与纵向分隔线把它切成若干带标签的分区块:「头」「面」「颈」「胸」「背」「上臂」「前臂」「手」「大腿」「小腿」「足」,每块内写一个小写编号 i,块旁标「分区数决定空间分辨率」。右半部分画一个放大的单分区径向剖面:一组同心的四层圆环,自内向外依次标「核心层」「肌肉层」「脂肪层」「皮肤层」,每层圆环内画一个圆点代表节点并标「节点:一条能量方程」,相邻层之间画双向短箭头标「导热」。最外层皮肤节点向外画三支箭头分别标「对流 h_c(t_sk−t_a)」「辐射 h_r(t_sk−t̄_r)」「蒸发 q_evap」,并标注「CFD 边界作用在这一层,不在核心层」。画面中部画一个椭圆标「中央血池」,从它向左侧每个分区各画一支双向箭头标「血流对流输热 ṁ_bl,i」,椭圆下方一行字写「血流耦合:把捂热脚部的收益传给全身热感觉」。画面下方画一个对照条:左端写「分层数 ↑ ⇒ 时间响应更真实(皮温不再跟环境瞬跳)」,右端写「分区数 ↑ ⇒ 空间分辨率更高(能分出小腿与足)」,条中央写「两者解决不同问题,不可互相替代」。画面底部一行小字写「本图为结构示意,分区数与层数为示例,不含任何数值,不得据图取值」。
图2 该从图上读出的判断有三条:① 分区管空间、分层管时间,两个方向解决不同问题,⛔ 不能互相替代;② CFD 的边界条件只作用在最外层皮肤节点上,核心层永远不直接见环境;③ 中央血池是把局部改善传导成全身收益的唯一通道,无血流耦合的模型算不出「暖脚提升整体感觉」。本图为结构示意,分区数与层数为示例,⛔ 不得据图取值。

选模型的判据,不是「哪个更细」,而是「你要交的响应量是什么」。这一条与 J4-01 乘员舱气流组织与温度场 CFD 选湍流模型的逻辑同源:

你要交的响应量 对模型的最低要求 说明
全身整体热感觉、整体 PMV 单区多层即可 不需要分区,但必须分层(否则时间响应假)
「哪个部位不舒服」的排序 多分区,末梢必须单独成区 手足合进四肢会把结论平均掉
pull-down 过程的动态热感觉 多分区多层 + 血流耦合 变化率项要求皮肤层有真实时间常数
单侧受晒/单侧直吹的左右差 分区必须左右分开 多数默认分区是左右合并的,要显式改
出汗、高湿闷热工况 需含皮肤湿润度 w 与蒸发上限 只算干热的模型在夏季会系统性偏乐观

算例 1-B:分区数不足会丢掉多少信息(教学假设值)

设某冬季工况下,模型算出四个部位的皮肤温度:大腿 30.5 ℃、小腿 28.0 ℃、足 24.5 ℃、手 25.0 ℃。若模型把「大腿+小腿+足」合并成一个「腿」区,按面积加权(教学假设面积占比:大腿 0.55、小腿 0.30、足 0.15,⚠ 这是为算例编的假设比例,⛔ 不对应任何真实面积表):

t_sk,腿 = 0.55 × 30.5 + 0.30 × 28.0 + 0.15 × 24.5 = 16.78 + 8.40 + 3.68 = 28.9 ℃

这个数说明了什么:合并后的 28.9 ℃ 看上去只是「稍凉」,而被它盖住的足部 24.5 ℃ 已经落在明显偏冷的区间。合并操作把 6 K 的分化压成了一个中庸的数,而投诉恰恰来自被压掉的那一端。这就是为什么「末梢必须单独成区」不是精细化偏好,而是能不能看见问题的分界线。反过来说:如果你的报告里只有一个「腿部温度」,你根本没有资格判断脚冷不冷。

1.3 代谢、做功、蒸发与血流:每一项进方程的哪一个位置

第 1 讲的核心方程,就是分区能量平衡(写法与 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础/A4-02 热舒适评价模型:PMV-PPD 与局部热舒适 一致,以散热为正):

M − W = (C + R + E_sk) + (C_res + E_res) + S

逐项说清它进模型的位置,这决定了你在软件里该往哪个输入框填数:

M(代谢产热)——按 met 给,乘 A_D 换成瓦,再按分区分配。分配不是按面积平均的:核心脏器产热密度远高于四肢。多数模型内置了一套分配比例,你要做的是确认它的总量与你的工况一致(静坐 vs 驾驶操作 vs 后排儿童)。⚠ 常见错误是把 met 当成全身总功率填进去而忘了乘面积,一次性差 1.8 倍。

W(机械功)——座舱工况几乎恒为 0。⛔ 它不是「可以忽略所以填任意值」,而是「取 0 是有物理依据的」:静坐乘员对外不做功。若模型要求填做功效率 η,取 0 即可。

C、R(干热损失)——这两项是第 2 讲耦合接口的全部战场。它们不直接取环境空气温度,而要经过衣着热阻与外表面换热热阻两段串联(承 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础)。本课把这一段展开成分区形式,见 2.2、2.3。

E_sk(皮肤蒸发)——由皮肤湿润度 w 与蒸发驱动势 (p_sk,s − p_a) 决定。关键在于它有上限:环境湿度一高,驱动势塌陷,出再多汗也蒸发不掉(机理承 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础)。虚拟假人里这一项的正确处理是:让模型自己按生理调节算出 w,⛔ 不要人为固定 w。固定 w 等于把出汗调节这条腿打断了。

C_res + E_res(呼吸损失)——⛔⛔ 这两项只挂在核心/肺节点上,⛔ 不许摊到各皮肤分区。这是本课最容易被静默做错的一条:一些自建耦合脚本为了「统一处理」,把呼吸损失按面积摊进每个分区的皮肤热流里。结果是所有分区的皮温被系统性拉低一点点,而没有任何一处会报错。冬季干冷工况下呼吸损失并不小(承 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 2.3),这个摊法会让整套分区结论偏冷。

S(蓄热率)——它不是输入,是解出来的。S 的符号与分布告诉你身体在积热还是失热、积在哪一层。

皮肤血流调节——这是模型的「控制器」,不在上式里显式出现,而是通过改变核心→皮肤的对流输热项来起作用。它有两个方向:

  • 血管收缩(vasoconstriction):冷刺激下减少皮肤血流,把外壳变成保温层。末梢优先、幅度大。
  • 血管舒张(vasodilation):热刺激下增加皮肤血流,把核心的热搬到表层散掉。

⚠ 这两个响应的增益与时间常数是模型参数,不是物理常数——它们来自对特定人群的实验拟合。这正是第 5 讲要做相关性修正的对象,也是「⛔ 不许从别的项目照搬参数」那条误区的根源。

皮肤血流调节的三段响应示意图。主图是一幅二维曲线图:横轴标「核心温与皮温的加权偏差(冷 ← 中性 → 热)」,纵轴标「皮肤血流量(相对基准)」,两轴只标轴名与方向文字,不标数值刻度。图中画一条单调上升的 S 形曲线,并用两条竖直虚线把横轴分成三段:左段标「血管收缩段:血流降至基准以下,外壳变成保温层」,中段标「中性带:血流约在基准值,调节裕度最大」,右段标「血管舒张段:血流升至基准数倍,外壳变成散热片」。曲线在左段用较陡的斜率并标注「末梢优先收缩,幅度大」,在右段标注「舒张有上限,到顶后只能靠出汗」。主图右侧并排画一幅小的人体轮廓示意,人体上用深浅两种填充区分:手、足、前臂、小腿被填成深色并标「优先收缩区」,躯干与头被填成浅色并标「后收缩区,守住核心」。主图下方画一条横向的时间轴条,条上标三个先后事件:「环境转冷」「末梢血流下降(秒到分钟量级)」「末梢皮温下降 ⇒ 局部热感觉先掉」,并在条下写一行「⇒ 整体指标还在合格带内时,手足已经在投诉区」。画面底部一行小字写「本图为机理示意,曲线形状与分段位置为定性表达,不含任何数值刻度,不得据图取值」。
图3 该从图上读出的判断有三条:① 血流调节是单调但分段的,中性带里裕度最大、两端很快到顶;② 收缩末梢优先,这是手足皮温先掉的直接机理,⛔ 不是模型缺陷;③ 舒张到顶之后身体只剩出汗一条路——夏季高湿工况下这条路又被蒸发上限封住,两个上限叠加就是闷热的成因。本图为机理示意,⛔ 不得据图取值。

1.4 分区服装热阻:一套 clo 值走天下,是系统性偏差的最大单一来源

服装热阻的单位定义(与 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 同源,属单位定义类,可给准确值):

1 clo ≡ 0.155 m²·K/W

也就是衣着热阻 I_cl = 0.155 × clo 值。它在分区能量平衡里的位置很关键:皮肤到环境的干热损失,要先穿过 I_cl 这一段串联热阻,所以 I_cl 直接决定了该区皮肤能散多少热。

而车里最要命的一点是:人身上的衣着热阻在各分区之间差得极大,而默认参数常常是全身一个值。

想一想冬天的实际穿着:躯干可能是内衣+毛衣+外套,1.5~2.0 clo 量级;手是裸露的,接近 0;面部完全裸露;小腿有一层裤子,0.5 clo 量级;脚有袜子+鞋,但鞋底还压在冷地板上。把 1.2 clo 平摊到全身,等于给手和脸各穿了一件毛衣,同时把躯干的外套脱掉了一半。

算例 1-C:分区 clo 取错的量化后果(教学假设值)

用 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 的干热损失式(分区形式):

q''_dry,i = (t_sk,i − t_o,i) / (I_cl,i + 1/(f_cl,i · h_i))

取教学假设值:皮肤温 t_sk = 33 ℃,操作温度 t_o = 18 ℃(冬季车内回暖中),合成换热系数 h = 8 W/(m²·K),衣着面积系数 f_cl 取 1.0(裸露)与 1.25(着衣)。

情形① 手部按真实裸露算:I_cl = 0,f_cl = 1.0 q''_dry = (33 − 18) / (0 + 1/(1.0 × 8)) = 15 / 0.125 = 120 W/m²

情形② 手部误用全身默认 1.2 clo:I_cl = 0.155 × 1.2 = 0.186,f_cl = 1.25 q''_dry = 15 / (0.186 + 1/(1.25 × 8)) = 15 / (0.186 + 0.100) = 15 / 0.286 = 52.4 W/m²

低估了 (120 − 52.4)/120 = 56%。

这个数说明了什么:不是「差一点」,是差一倍以上,而且方向固定——模型会认为手部散热远比实际少,于是算出的手部皮温远比实际高,于是手冷这个真实问题在仿真里根本不出现。你会带着一份「各分区皆在舒适带内」的报告去评审,然后在实车上被投诉打脸。

情形③ 反向错误:躯干按 1.2 clo 而实际穿了 1.8 clo 冬装 I_cl(1.2) = 0.186 → q'' = 52.4 W/m²(同上) I_cl(1.8) = 0.279 → q'' = 15 / (0.279 + 0.100) = 15 / 0.379 = 39.6 W/m² 高估散热 32% ⇒ 模型算出的躯干皮温偏低 ⇒ 会误判「躯干也冷,该整体加大暖风」,而真实缺陷只在末梢。错误的方向决定了错误的对策:这一条比数值本身更值钱。

工程做法(三条,按优先级):

  1. 冬夏必须两套 clo 表,且每套按分区给。⛔ 不许一个标量走全年。夏装典型 0.3~0.6 clo、冬季车内着装典型 1.0~1.5 clo(⚠ 这是行业典型区间,取自 A4-01 人体热平衡与体温调节生理学基础 同源口径,⛔ 非验收依据;项目取值按 ISO 9920 的方法估算,并与试验侧的实际着衣一致)。
  2. 裸露分区必须显式置零:手、面、颈(视工况)在多数模型里默认继承全身值,要手工改。
  3. 与实体假人试验对齐:假人穿的是什么,虚拟假人就该给什么。A4-05 热假人(thermal manikin)测量与人体分区模型 明说假人拆装衣着后 h_cal 作废要重标——同理,两侧着衣不一致时,第 5 讲的相关性验证一定对不上,而你会去改生理参数,那是在错的地方拧螺丝。
分区服装热阻分布对照图。画面左右并排画两个相同的人体正面轮廓,各被切成相同的分区块(头/面/颈/胸/背/上臂/前臂/手/大腿/小腿/足)。左侧人体标题写「冬季车内着装」,右侧写「夏季着装」。两个人体的各分区用疏密不同的斜线填充表示衣着热阻的相对高低,填充越密表示热阻越大,每块内写出该区的定性档位文字:左侧人体上,胸/背写「高热阻档」,上臂/大腿写「中热阻档」,前臂/小腿写「中低档」,足写「中档(含鞋袜)」,手/面写「裸露:I_cl 置零」;右侧人体上,胸/背写「低热阻档」,上臂/前臂/小腿写「裸露或近似裸露」,大腿写「低档」,足写「低档」,手/面写「裸露:I_cl 置零」。两个人体之间画一条纵向分隔线,线上方写「同一台车、同一套分区、两套 clo 表」,线下方写「⛔ 一个标量走全年 = 给手和脸穿毛衣,同时把躯干外套脱掉一半」。画面下部画一个横向对照框,框内分三行写:第一行「错法:全身单值 1.2 clo」,第二行「后果:裸露区散热被低估、厚衣区散热被高估」,第三行「表现:手冷这个真实问题在仿真里不出现,而躯干被误判为也冷 ⇒ 对策方向整个错掉」。框右侧画两支方向相反的箭头,向上箭头标「裸露区:真实散热 ↑」,向下箭头标「厚衣区:真实散热 ↓」。画面底部一行小字写「本图为口径示意,填充疏密仅表示相对高低,不含任何数值,不得据图取值」。
图4 该从图上读出的判断有三条:① 服装热阻是一张分区表,不是一个标量;② 冬夏必须两套,且裸露分区要显式置零——默认继承全身值是最常见的静默错误;③ 取错的后果不是精度损失而是对策方向翻转:真实缺陷在末梢,模型却指向整体加热。本图为口径示意,⛔ 不得据图取值。

本讲小结:虚拟热假人的内核是一张节点网络——沿表面分区管空间分辨率、沿深度分层管时间响应、中央血池做血流耦合。核心-外壳结构解释了末梢优先关断,因而「整体达标而手脚冷」是生理的正常输出而非模型缺陷。分区能量平衡 M − W = (C+R+E_sk) + (C_res+E_res) + S 里,呼吸两项只挂核心/肺节点、⛔ 不许摊到皮肤分区;蒸发项的湿润度 w 要让模型自己算、⛔ 不许人为固定。服装热阻必须是分区的、冬夏两套的,裸露区显式置零——单值走全年会造成 50% 量级的分区散热偏差,且它翻转的是对策方向。pull-down 窗口内核心温几乎不动(时间常数以小时计),响应量该盯分区皮温与它的变化率。

后面还有 5 讲正文 · 关键公式 · 案例拆解 · 常见误区 · 动手做

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