摘要：本文以某品牌蒸汽眼罩为研究对象，通过应用流体力学和传热学仿真，首次科学创新地对蒸汽眼罩-人体传热过程进行了详细建模和模拟，为产品的安全性和优良性能提供理论依据。通过计算机对流体力学、热力学控制方程进行求解，能够同时考虑热传导、热对流、热辐射以及相变过程，同时可以建立人体传热和温度调节模型，对整个传热系统进行全面的分析和研究，因此本文首次创新性的通过CFD仿真分析的方法进行蒸汽眼罩传热过程的详细建模和模拟，为产品的安全性和优良性能提供理论依据。
关键词：蒸汽眼罩；传热仿真；热敷；血液循环
Simulationstudyonheattransferofsteameyemask
LINJin1TONGGuoyong1MENGQian1LINYongzhi1
Infinitus(China)CompanyLtdGuangzhou510663
Abstract:Basedonsomebrandsteameyemaskastheresearchobject,byapplyingsimulation,fluidmechanicsandheattransfer,scientificinnovationtosteameyemaskforthefirsttimeadetailedmodelingandsimulationoftheheattransferprocess-thehumanbody,astoprovidetheoreticalbasisforthesafetyofproductsandexcellentperformance.Convectionstrength,thermodynamicsbycomputerareappliedtosolvethecontrolequationstoconsiderheatconduction,convectionandradiation,andphasechangeprocess,aswellasthehumanbodyheattransferandtemperaturecontrolmodelisestablished,ontheheattransferofthewholesystemtoconductacomprehensiveanalysisandresearch,thisarticlefirstinnovationthroughCFDsimulationanalysismethodofsteameyemaskdetailedmodelingandsimulationofheattransferprocess,astoprovidetheoreticalbasisforthesafetyofproductsandexcellentperformance.
Keywords:Steameyemask;Heattransfersimulation;Hotcompress;Bloodcirculation
1引言
蒸汽眼罩最早起源于日本，因其良好的护眼效果，近年在国内也逐渐流行起来。蒸汽眼罩是采用先进的第二代薄片发热体控温技术，让空气中的氧气与铁粉在眼罩内部发生化学反应，形成发热体，生成出肉眼所无法看到的细微温润的水蒸汽。通过温热的蒸汽热敷，达到充分缓解眼疲劳、呵护眼部肌肤、保护视力、帮助睡眠等多种功效。
蒸汽眼罩与人体眼部皮肤之间是一个复杂的环境，除了有产品通过介质导热外，还存在对流换热、辐射换热以及水蒸汽携带热量，传热过程十分复杂。另外人体皮肤的表面温度为31-34℃之间，人体的温度是37℃，随着体表温度升高，人体自身的温度调节机制也会开始起作用，对于这一系列的传热过程，仅通过理论分析和经验公式计算是很难考虑全面的，进而也无法对人体感知温度进行可靠的评估。
计算流体力学(CFD)和传热学仿真作为实验的补充手段，通过计算机对流体力学、热力学控制方程进行求解，能够同时考虑热传导、热对流、热辐射以及相变过程，同时可以建立人体传热和温度调节模型，对整个传热系统进行全面的分析和研究，非常适合蒸汽眼罩到人体间的传热过程模拟，因此本文首次创新性的通过CFD仿真分析的方法进行蒸汽眼罩传热过程的详细建模和模拟，为产品的安全性和优良性能提供理论依据。
2方案
为本文进行仿真研究的某品牌蒸汽眼罩实物图，眼罩由医用级无纺布和发热片组成。
本文将以该蒸汽眼罩为研究对象，在ANSYSWorkbench平台下搭建蒸汽眼罩和人体头部模型、以实测发热温度作为边界条件，通过传热仿真分析及可视化后处理，最终，形成一套完整的传热分析流程，并根据计算输出人体感知温度随时间的变化曲线，以验证蒸汽眼罩的优良热敷效果和安全性。整体传热仿真的分析流程按图2所示进行。
在整个项目过程中，将以ANSYSWorkbench平台为基础，充分利用平台的自动化、参数化功能以及便利的数据接口去搭建一个适用于眼罩传热计算的分析流程，不同阶段将用到以下软件工具。
1）几何建模和前处理工具ANSYSDesignmodeler（DM）和ANSYSSpaceclaim，分别是ANSYSWorkbench下的参数化和直接建模工具，通过DM或ANSYSSpaceclaim的几何接口可以把外部的几何模型及其参数导入至Workbench下，也可直接在软件中进行几何的创建，并自动输出给相关的网格划分工具；
2）ANSYSMeshing是ANSYSWorkbench下的常用的自动化网格划分工具，可为流体分析和结构分析提供高质量的网格，利用便利的接口便可自动导入上游几何数据，并自动输出给仿真分析的求解器进行求解；
3）ANSYSFLUENT是通用的流体分析工具，可以分析流场、温度场、化学反应等物理现场，并提取感兴趣的变量，输出成文件或图片供用户进行可视化的后处理。
3几何模型
蒸汽眼罩3D几何模型
单独的蒸汽眼罩几何建模是相对简单的，根据蒸汽眼罩尺寸的实际尺寸，利用ANSYSDM进行3D几何建模，同时保留参数化设置的方法，方便后续对几何尺寸进行调整，考虑到耳挂建模比较困难，且对传热影响较小，建模过程中可忽略耳挂，如图3为3D眼罩几何模型，其中产品的最大厚度根据测量设置为1.5mm，并将厚度设置为可变参数，后续可根据新产品进行调节，除了发热片外，其他材料均为医用级无纺布。
人体头部几何模型
在蒸汽眼罩传热仿真过程中，涉及到的几何模型除了眼罩本身，剩下最主要的就是人体头部。由于人体头部不同区域的曲面建模都十分复杂，而且不同人之间的头部差异化较大，所以导致头部直接建模是非常困难的。目前对于人体头部热模型的研究，人体头部的建模主要使用简化模型、3D扫描等方法。考虑到本项目产品主要使用对象为中国人，因此本项目参考了《中国成年人人体尺寸》标准（GB-10000-88）中关于人体头部特征的尺寸，并根据已有的3D扫描头部模型进行了局部参数的调整，最终得到符合亚洲人特征的头部模型，如下图4所示。
眼罩与人体头部的接触建模
在眼罩传热过程中，眼罩与人体之间的接触至关重要，若眼罩与人体接触紧密，热量更容易通过热传导的方法进行传递，因此对于实际的接触建模需要有一定的准确性。
根据实际佩戴体验，由于眼罩大部分区域采用了医用无纺布，变形较大，在受拉力的情况下能够人体面部侧面有大量的贴合，而眼罩发热片区域，结构变形较小，同时人体眼部区域与鼻梁有一定生理凹陷，因此会在眼窝附近产生一定的分离区域。
实际建模过程中，由于眼罩本身较薄，且需要考虑发热片结构，建模过程相当麻烦，目前采用的解决方法是通过ANSYSSpaceclaim的逆向工程技术，如图5所示，将STL文件部分区域转换为光滑曲面，并完成了最终的建模工作。并得到了较为真实的接触模型，如图6所示，眼罩与头部大部分接触，仅局部产生分离。
传热模型
蒸汽眼罩传热模型
蒸汽眼罩内部的传热主要由于依赖材料的导热性能，另外各层材料之间的接触热阻也是影响传热效果的因素之一，各层材料比较薄，接触也相对紧密，因此相应热阻也不会非常大，通常比较好处理。
蒸汽眼罩的材料，除发热片外，全部采用医用级无纺布材料，根据实际测量结果，并查阅与无纺布传热相关的文献[1-4]，最终选取蒸汽眼罩无纺布材料传热参数为：密度：67kg/m³，导热率：0.05W/（m℃），比热容：1.2J/（g℃）。
另外眼罩发热片在传热过程中起到热源，该处描述的准确性在仿真中至关重要，采用的描述方法可使用体积热源或者实际工况下的发热边界热流。体热源的获取相对困难，因此本项目通过多点实测产品发热片温度作为数据来源，将精准热电偶布于眼罩和模拟人体表面温度的恒温水槽之间，实时监测眼罩的温度，绘制出蒸汽眼罩的发热曲线，通过采集的多个测试数据进行分段多项式拟合，形成自定义文件输入到ANSYSFluent进行边界热流的指定，相应的实测曲线如下图所示。
人体头部传热模型
人体传热模型是蒸汽眼罩传热仿真中的关键部分，由于热量由眼罩传到头部后，头部局部会有明显升温，当升温到一定程度时，人体自身的体温调节机制会起作用，因此为了更好地模拟整个传热过程，有必要对人体传热模型进行建模和相应的研究。
对于人体头部的传热，目前可采用三种不同的分析方法：整体等效、分层等效以及详细传热模型。在本项目研究采用详细的传热模型进行仿真分析，采用目前应用较为广泛的Pennes模型[5]，该模型考虑了人体组织的血液灌注和新陈代谢，对于生物传热领域内的研究是目前为止最为合适的。
