تحليل تقييم السلامة لجسم الإنسان محاكاه بواسطة الدمية الحرارية في البيئة الحرارية

تعد البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة شائعة في عمليات المعالجة الحرارية في الإنتاج الصناعي ومكافحة الحرائق في حالات الإغاثة في حالات الطوارئ والسيناريوهات الأخرى. تعتبر حماية سلامة جسم الإنسان في بيئة ذات درجة حرارة عالية محتوى مهمًا لأبحاث السلامة العامة ، ويجب اعتبار "بيئة جسم الإنسان - الملابس - البيئة" كنظام حراري. يتضمن هذا النظام عمليات فيزيائية متعددة مثل الإشعاع الحراري بين البيئة والملابس ، والتوصيل الحراري داخل الملابس ، والحمل الحراري والإشعاع الحراري بين الملابس وجسم الإنسان.

تتضمن طرق البحث حول سلامة جسم الإنسان في بيئة ذات درجة حرارة عالية بشكل أساسي حساب نمذجة الاستجابة الحرارية والبحث في تجارب المحاكاة البشرية أو البشرية: 1) طريقةيعتمد حساب نمذجة الاستجابة الحرارية على مبدأ الفيزياء الحرارية ، وإنشاء نموذج حساب الاستجابة الحرارية "جسم الإنسان - الملابس - البيئة" ، من خلال الحساب العددي التكراري للحصول على المعلمات الفيزيائية الحرارية للجسم البشري 1. طبق نموذج Stolwijk المقترح في عام 1971 نظرية التحكم في التغذية الراجعة السلبية لإنشاء نموذج استجابة حرارية مكون من 6 أقسام و 25 وحدة لجسم الإنسان ، والذي يعتبر اختراقًا في نموذج الاستجابة الحرارية لجسم الإنسان 2. Huizenga et al. أسس نموذج بيركلي لتقييم فسيولوجيا الإنسان وراحته في بيئة حرارية معقدة في درجة حرارة الغرفة ، وأدخل سبعة تحسينات على نموذج الاستجابة الحرارية Stolwijk لتحسين دقة حسابات المحاكاة 3. استنادًا إلى التنظيم الحراري متعدد النقاط ونموذج الإشعاع وديناميكيات السوائل الحسابية ، Tanabe et al.وضع طريقة لتقييم الراحة الحرارية للملابس واعتبار البيئة ذات درجة حرارة غير موحدة 4. هان زوفينج وآخرون. أسس نموذجًا عدديًا متعدد الطبقات لنقل الحرارة متعدد الأقسام استنادًا إلى المعدات الوهمية للجسم الساخن للنتح ذات 20 قسمًا ، وحدد المعلمات الفيزيائية الحرارية لكل جزء عن طريق التجارب والطرق الأخرى ، وأنشأ مجموعة من معادلات توازن الحرارة وصنع الدمية في شرط معين. تغير درجة الحرارة تحت الضغط الحراري ومحاكاة التبادل الحراري مع الملابس 5. يمكن لطريقة حساب نمذجة الاستجابة الحرارية محاكاة التغيرات في درجة حرارة الجسم ، والتعرق ، والتنفس ، ومعدل ضربات القلب ، وما إلى ذلك. لجسم الإنسان في بيئة حرارية ، وله مزايا استهلاك الوقت القصير والتكلفة المنخفضة. على الرغم من أن هذه الأساليب حققت تقدمًا كبيرًاs ، لا يزال لديهم قيود: مراعاة غير كافية للتفاصيل الدقيقة والمعقدة للتفاعلات بين الإنسان والبيئة ، مثل الاضطرابات الجوية ، واضطرابات الهواء المحلية ، ودرجة الحرارة والرطوبة ، والإشعاع من درجة حرارة غير متساوية للأسطح المحيطة ، ونظام حرارة الملابس متعدد الطبقات ، و التبادل المادي والتبخر والإسالة وهجرة الرطوبة الناتجة عن سلوكيات التكيف الفسيولوجية المختلفة لجسم الإنسان وتأثير حركة الإنسان على الاستجابة الحرارية ، إلخ. 6. 2) طرق البحث عن أناس حقيقيين أو تجارب محاكاة بشرية. من الصعب إجراء البحوث البشرية في ظل ظروف قاسية ، وهناك حاجة لعدد كبير من الدراسات البشرية لتلخيص قوانين الاستجابة الحرارية لجسم الإنسان ، مما يزيد من تكلفة البحوث التجريبية البشرية ؛ ستستخدم تجارب المحاكاة البشرية دمية ذات حرارة مركزيةالبوريل والعرق ووظائف أخرى كمعدات أساسية ، فإنه يحاكي الاستجابة الفيزيولوجية الحرارية لجسم الإنسان 7. Psikuta et al. أجرى تجارب ودراسات نمذجة على عارضة أزياء مع تنظيم فسيولوجي مثل حرارة الجسم والعرق في نطاق درجة الحرارة الطبيعية ، ولكن فقط درس نموذجًا من قسم واحد لجسم الإنسان ، وليس الجسم كله 6. كوكا وآخرون. استخدم القزم الحراري كأداة بحث لدراسة تأثير السلوك الرياضي لرجال الإطفاء على أداء الملابس الواقية 8. Chen Yuhong et al. طور نظام اختبار العرق الوهمي بناءً على التجارب البشرية في بيئة دافئة ورطبة بشكل معتدل وبيانات ثلاثية الأبعاد لحجم جسم الإنسان. تم اختبار وتقييم أداء الحرارة والرطوبة للملابس 9. بسبب محدودية التكنولوجيا ، لا يمكن لمعظم أجهزة محاكاة جسم الإنسان pكما هو نشط وفي الوقت الحقيقي ، اضبط درجة حرارة الجسم والعرق وفقًا للإجهاد الحراري البيئي 10 ، أو أنهما مجرد جزء من نموذج جسم الإنسان بدلاً من الجسم كله. ومع ذلك ، نظرًا لمزايا المعدات المستقرة ، والتكرار العالي للنتائج التجريبية ، والتقييم الدقيق لأداء الملابس بناءً على التجارب ، فقد أصبحت تجارب محاكاة جسم الإنسان طريقة مفضلة للبحث في تقييم سلامة جسم الإنسان في بيئات درجات الحرارة المرتفعة.

بهدف معالجة مشكلة سلامة جسم الإنسان في بيئة ذات درجة حرارة عالية ، تحدد هذه المقالة طريقة لتقييم سلامة جسم الإنسان تجمع بين الحساب النظري والمحاكاة التجريبية. يتم وضع الدمية الحرارية في حجرة تجريبية مغلقة ذات درجة حرارة عالية ، ويتم تحديد المعلمات البيئية حول جسم الإنسان.يتم قياس nt في الوقت الفعلي ، ويتم حساب نموذج الاستجابة الحرارية لجسم الإنسان باستخدام نموذج الاستجابة الحرارية. وغيرها من الوظائف لتحقيق الاستجابة الفسيولوجية في هذا الوقت ، ومن ثم إدراك عملية تفاعل التفاعل الحراري بين جسم الإنسان والبيئة. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال مراقبة التغيرات في المعلمات الفيزيولوجية الحرارية لجسم الإنسان أثناء التجربة ، وفقًا لنتائج أبحاث علم وظائف الأعضاء الطبية ، يمكن الحكم على حالة سلامة جسم الإنسان.

1. التصميم التجريبي
1. إنشاء المنصة التجريبية
تشتمل المنصة التجريبية على نظام فرعي لمحاكاة بيئة الإنسان والآلة ونظام فرعي لقياس المعلمات ونظام فرعي مكون من 3 أجزاء لاكتساب / نقل / معالجة البيانات. يخلق النظام الفرعي لمحاكاة بيئة الإنسان والآلة بيئة إجهاد حراري محددة من خلال hفي درجات حرارة عالية وألواح حرارية راد حرارية ، تستخدم عارضة أزياء نيوتن الحرارية لمحاكاة سلوك الاستجابة الفسيولوجية الحرارية لجسم الإنسان ، وترتدي ملابس واقية حرارية للعارضة ، وبالتالي تشكل نظام محاكاة بيئة الإنسان والآلة. أنظمة الاستجابة الحرارية البيئية. يتم قياس المعلمات الأساسية مثل درجة حرارة البيئة والرطوبة والمعلمات الفسيولوجية الحرارية للقزم بواسطة النظام الفرعي لقياس المعلمة. يتكون النظام الفرعي للحصول على البيانات / الإرسال / المعالجة من أداة الحصول على البيانات ، وبرنامج التحكم الوهمي ThermDAC ونموذج حساب الاستجابة الحرارية لجسم الإنسان. يتم استخدام مانيكين نيوتن الحراري كأساس لمحاكاة الاستجابة الفيزيولوجية الحرارية للقزم الحراري لجسم الإنسان.
الدمية الحرارية هي جهاز لمحاكاة السلوك pالفسيولوجيا البشرية ، تستخدم بشكل رئيسي في دراسة راحة الملابس. تعتمد هذه التجربة على قزم نيوتن الحراري الذي أنتجته شركة Northwest Corporation بالولايات المتحدة ، وتستخدم نتائج الاستجابة الحرارية المحسوبة بواسطة المحاكاة الفسيولوجية الحرارية كتعليمات لمحاكاة التفاعلات الفسيولوجية لجسم الإنسان في بيئة حرارية ، مثل حرارة الجسم و عرق. تتضمن دمية نيوتن الحرارية طبقة الدمية والجلد ، ونظام خارجي ، ومستشعر بيئي وبرامج تحكم وأجزاء أخرى. من بينها ، تحاكي الدمية وطبقة الجلد البنية الخارجية لجسم الإنسان ، ويتم بناء وحدات التحكم والشعيرات الدموية الداخلية تحت طبقة الجلد كوحدات عمل ميكروسكوبية تحاكي حرارة الجسم والعرق. يتكون صندوق التحكم الخارجي المقابل ليلعب دور الأجهزة المقابلة.تؤثر على الوظائف الفسيولوجية لجسم الإنسان.
2. مخطط التجربة الفكرة الرئيسية للتجربة البحثية حول سلامة جسم الإنسان في بيئة حرارية هي كما يلي: وضع المانيكان الحراري ولوحة الإشعاع الحراري في حجرة تجربة بيئة حرارية مغلقة ، وتصنيع بيئة حرارية محددة ، بواسطة نظام قياس المعلمة الحرارية الوهمية ونظام قياس المعلمة البيئية يحصل على المعلمات ذات الصلة ، ويحسب نظام معالجة البيانات الاستجابة الفسيولوجية الحرارية للدمية تحت الضغط الحراري ، وينقلها إلى الدمية الحرارية لجعلها تنتج الاستجابة المقابلة حرارة الجسم والعرق وردود الفعل الأخرى. من خلال المعلمات الفسيولوجية للدمية التي يتم قياسها في الوقت الفعلي ، يتم الحكم على حالة سلامة جسم الإنسان بناءً على مؤشرين لدرجة حرارة الجسم ومعدل العرق. من أجل تسهيل البحث عن طريقة تقييم السلامة ، في التجربة ، لم ترتدي الدمية ملابس واقية حرارية ، ولكن الجلد المتعرق فقط ، وتم استبدال معايير الأداء الحراري والرطوبة للحماية الحرارية للملابس بمقاومة حرارية و معايير مقاومة الرطوبة في الجلد المتعرق.
العملية الرئيسية للتجربة هي كما يلي: 1) قم بتشغيل لوحة إشعاع التدفئة ، وترتفع درجة الحرارة في المقصورة ؛ 2) تتراكم الحرارة في جسم الإنسان مع زيادة درجة الحرارة المحيطة وزيادة درجة حرارة الجسم ؛ 3) عندما تتراكم الحرارة إلى مستوى معين ، قم بتنشيط العرق.خطير ، إذا كان أكبر من عتبة الحد ، فسوف يدخل في حالة الحد ، وإلا فإنه سيكون في حالة آمنة.
3. حساب المؤشرات الفسيولوجية
في نظام الحصول على البيانات / نقلها / معالجتها ، تم دمج نموذج حساب الاستجابة الفسيولوجية الحرارية البشرية ، وتستخدم المعلمات المقاسة في الوقت الفعلي للبيئة والحرارة والرطوبة في جسم الإنسان كمدخلات ، ويتم الحصول على الحساب التكراري الاستجابة الفيزيولوجية الحرارية لجسم الإنسان. يعتمد نموذج الحساب النموذج الموصى به في ISO 7933 ، وصيغة الحساب الرئيسية كالا هي 11:
1) احسب التدفق الحراري للتبخر Ereq (W / m2) المطلوب للتدفق الأقصى لحرارة التبخر Emax (W / m2) على سطح الجلد:
Emax = psk-paRcl ، (1) Ereq = M-deq-W-Cres-Rres-C-R. (2)
حيث: psk و pa هما البخار المشبع المقابلة لدرجة حرارة سطح الجلد ودرجة الحرارة المحيطة على التوالي ، في kPالى ؛ Rcl هي مقاومة الرطوبة لطبقة الجلد والملابس ، m2kPa / W ؛ M هو معدل التمثيل الغذائي في ظل كثافة العمل المحددة ، W / m2 ؛ deq هو معدل التخزين المرتبط بمعدل الأيض لزيادة درجة حرارة الجسم ، W / m2 ؛ W هي القوة الخارجية لجسم الإنسان ، W / m2 ؛ Cres و Rres هي معدل الحمل الحراري ومعدل التبخر الحراري الناتج عن التنفس ، على التوالي ، W / m2 ؛ C و R هما معدل الحمل الحراري ومعدل التبخر الحراري من سطح الجلد ، على التوالي ، W / m2. من بين المعلمات المذكورة أعلاه: يتم الحصول على psk ، pa ، Rcl وفقًا للقيم المقاسة ؛ يتم تعيين M ، W وفقًا للمقاعد الفعلية ؛ المعلمات الأخرى هي:
deq = cspTcr ، eq ، i-Tcr ، eq ، i-1 1-αi- 1 ، (3) Cres = 0.01516MTex-Ta ، (4) Eres = 0.00127M59.34 + 0.53Ta-11.63pa ، (5) C + R = Tsk-TaIcl. (6)
حيث: i هي الخطوة الزمنية رقم i ، كل خطوة زمنية هي دقيقة واحدة ؛ csp هي السعة الحرارية لجسم الإنسان ، W/ (م ك) ؛ Tcr، eq، i هي درجة حرارة التوازن الأساسية لجسم الإنسان المقابلة لمعدل الأيض ، ℃ ؛ αi هي معلمة جودة الجلد ؛ تكس ، تا ، تسك هي درجة حرارة الهواء الزفير ودرجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة الجلد ، ℃ على التوالي.
2) احسب معدل التعرق المتوقع si (W / m2) ،
si = si-1 · e-110 + sreq1-e-110. 7)
من بينها ، sreq هو معدل العرق المطلوب ، W / m2 ، يتم تحديد قيمته بواسطة Ereq و Emax.
3) احسب درجة حرارة المستقيم Tre، i، ° C،
Tre، i = Tre، i-1 + 2Tcr، i-1.962Tre، i-1-1.319. (8)
أين ، Tcr ، i هي درجة الحرارة الأساسية لجسم الإنسان ، ℃،
Tcr، i = 11-αi2dicsp + Tcr، i-1-Tcr، i-1-Tsk، i-12αi-1-Tsk ، iαi2.
(9) في علم وظائف الأعضاء الطبي ، غالبًا ما تستخدم درجة حرارة المستقيم لجسم الإنسان بدلاً من درجة الحرارة الأساسية 12. لذلك ، من خلال تحديد معلمات جسم الإنسان وقياس المعلمات البيئية ، فإن معدل التعرق ودرجة حرارة المستقيم المطلوبة صيمكن حساب جسم الإنسان في هذه البيئة الحرارية.

2- النتائج والتحليل التجريبي
درجة حرارة الجلد Tsk = 34 ℃ عندما يكون جسم الإنسان مرتاحًا حراريًا 12 ، يتم تعريف هذه القيمة على أنها القيمة الأولية لدرجة حرارة جلد الإنسان. تم ضبط درجة حرارة Trad للوحة الإشعاع الحراري عند 30 ، 32 ، 34 ، 36 ℃ ، 38 ، 40 ℃ على التوالي ، ودُرست التغيرات الفسيولوجية الحرارية لجسم الإنسان خلال 4 ساعات من التجربة ، و درجة حرارة الجسم والعرق تم استخدام مؤشرين فسيولوجيين للحكم على درجة حرارة جسم الإنسان. الوضع الأمني.
1. اتجاه درجة حرارة المستقيم
التغيرات في درجة حرارة المستقيم Tre أثناء التجربة موضحة في الشكل 4.
1) كلما ارتفعت درجة حرارة الإشعاع الحراري Trad ، زادت سرعة Tre.
2)عندما تكون Trad 30 ℃ و 32 ℃ ، يزيد Tre أولاً ثم ينقص ، ويصل أخيرًا إلى قيمة مستقرة نسبيًا ، مما يشير إلى أن جسم الإنسان يمكنه التكيف مع بيئة الإشعاع الحراري ؛ عندما يكون Trad = 34 ℃ ، يبقى Tre أخيرًا هناك تقلبات في درجة حرارة الإشعاع الحراري ، مما يشير إلى أن درجة حرارة الإشعاع الحراري هي الشرط الحرج لجسم الإنسان للتكيف مع البيئة الحرارية ، وهو ما يتوافق مع القيمة الثابتة لـ Tsk عند 34 ℃ ؛ عندما تكون Trad 36 ℃ و 38 ℃ و 40 ، تزداد Tre بسرعة في البداية ، حتى تقترب من حد الحساب الفعال لنموذج ISO 7933 هو Tre = 40 (الوقت المقابل t1 = 98 دقيقة) ، في هذا الوقت ، الاستجابة الحرارية لا يمكن حساب قانون جسم الإنسان بواسطة نموذج ISO 7933.
3) عندما يصل Tre إلى قيمة خطيرة ، يدخل جسم الإنسان في حالة خطرة مقابلة. الحد الخطير لدرجة حرارة المستقيم هو 38.5 ℃للحد الأعلى الفسيولوجي ، 38.9 للحد الأعلى الآمن و 39.4 للحد الأعلى المسموح به 13.
2. التغيرات في معدل التعرق تحليل معدل التعرق بعد التجربة يمكن استخدام التغييرات في العملية للحكم على حالة سلامة جسم الإنسان.
1. كلما ارتفع Trad ، زاد نمو الحرف بشكل أسرع ؛
2. عندما تكون Trad 30 ℃ و 32 ℃ ، تزداد s أولاً ثم تنقص ، وتصل أخيرًا إلى قيمة مستقرة نسبيًا ، مما يدل على أن جسم الإنسان يمكنه التكيف مع بيئة الإشعاع الحراري ؛ عندما يكون Trad = 34 ℃ ، لا يزال يتقلب في النهاية ، مما يشير إلى أن درجة حرارة الإشعاع الحراري هي الحالة الحرجة لجسم الإنسان للتكيف مع البيئة الحرارية ؛ عندما تكون Trad 36 ℃ ، 38 ℃ ، 40 ، أول مقارنة لها تنمو بسرعة ثم تستقر عند قيمة حدية. بالمقارنة مع منحنى Tre ، نرى ذلك عندما Tre =40 ℃ ، أي عندما يكون الوقت التجريبي tl = 108 دقائق ، لا يمكن حساب قانون الاستجابة الحرارية لجسم الإنسان بواسطة نموذج ISO 7933. حاليًا