Development of reduced order flow responsive convection heat transfer models for human body segments in multiple applications

Bolineni, Sandeep Rao; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Cook, Malcolm (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

In vielen technischen Anwendungen müssen Modelle die Wärmeübertragung um den menschlichen Körper auch bei veränderlichen Raumkonditionen erfassen. Um die Wärmebilanzgleichung des menschlichen Körpers zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit aufzustellen, werden gute Näherungen für konvektive Wärmeübergangskoeffizienten (hc) benötigt. Aufgrund instationärer Raumluftströmungen kann der konvektive Wärmeübergang auf der Haut bzw. Bekleidung erheblich variieren, z.B: bei turbulenter Strömung oder Temperaturschichtung. Um den thermischen Komfort rechnerisch zu bestimmen, wird häufig ein einzelner konvektiver Wärmeübergangskoeffizient für den gesamten Körper verwendet, welcher jedoch für viele Situationen nicht ausreichend genau ist. Parametrische und segmentenweise anwendbare Korrelationen für den lokalen konvektiven Wärmeübergang werden als Alternative angesehen. Robuste dimensionsreduzierte Modelle für Wärmeübergangskoeffizienten sind in der Lage, den Wärmeaustausch zwischen menschlichem Körper und der Umgebungsluft genauer zu beschreiben. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines Datenbankmodells mit dimensionsreduzierten Kenngrößen, welche die segmentweisen Wärmeübergangskoeffizienten für typische Strömungsmuster und unterschiedliche Anwendungsfälle bereitstellt. Zum Erreichen dieses Ziels wurden CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationen verwendet, um die Luftströmung und die Wärmeübertragung zu modellieren. Die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten für einzelne Körpersegmente wurden durch eine detaillierte Modellierung der Temperaturgrenzschicht rechnerisch ermittelt. Eine Validierung der numerischen Modelle wurde mithilfe von empirischen Messungen der Wärmeabgabe am menschlichen Körper durchgeführt.Als Grundlage der Untersuchung wurde ein parametrisches Menschmodell mit segmentierter Körperoberfläche entwickelt, welches der Untergliederung von bestehenden Thermoregulationsmodellen nachempfunden ist. Das parametrische Menschmodell wurde anhand veröffentlichter Benchmarks für stehende wie für sitzende Positionen getestet. Die Simulationsergebnisse zeigen sehr gute Übereinstimmungen mit den meist verwendeten Werten aus einschlägigen Literaturquellen. Es wird gezeigt, dass die Wahl der Referenztemperaturen wesentliche Bedeutung für die richtige Bestimmung von hc Werten hat.In dieser Arbeit wird ein parametrischer Lösungsansatz zur Schätzung des segmentweisen konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten für unterschiedliche Körperhaltungen vorgestellt. Die Methodik folgt einer neuen Strategie, bei der zunächst die primär relevanten Parameter identifiziert werden, welche den konvektiven Wärmeaustausch beeinflussen. Mittels einer Sensitivitätsanalyse auf Basis zahlreicher CFD-Simulationen mit variierenden Bedingungen werden Korrelationen für die Wärmeübergangskoeffizienten gebildet und deren Robustheit mittels Regressionsanalyse geprüft. Die Korrelationen werden in einer Datenbank verwaltet und verfügbar gemacht, um sie direkt für Simulationen mit unterschiedlichen Zielsetzungen nutzen zu können (z.B. für Energieeffizienz und Raumklima). Zwei Anwendungsbeispiele aus dem Flugzeug- und Gebäudebereich zeigen den Nutzen des entwickelten Datenbankmodells.

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