冷环境下手的热生理问题

阐述了当处于低温环境时,手会出现血管扩张(cold induced vasodilatation,CIVD)以及组织温度会在一定范围内出现振荡的现象,此现象的研究可广泛用于南极考察、登山、寒冷地区、航空航天和低温医学等低温环境下的热防护和手动作业.本文通过对组织结构热特性、血液循环、人体热调节系统和作业工效等方面研究的分析,指出手部低温热生理研究中的成功和不足之处,并提出了系统地描述手部的低温热生理现象的基本思路,将有助于生物医学、传热学和工效学的相互交融,促进手的热生理研究纵深发展.     

基于神经元电响应的人体热舒适性评价理论

本文提出一种利用神经元电响应频率定量评价人体热舒适性的理论方法和准则。利用Hodgkin-Huxley方程和Pennes生物传热方程描述皮下神经元在瞬态温度场下的电响应特性,并研究了环境温度、对流换热系数,血液灌注率和组织导热率等参数对它的影响,结果表明神经元动作电位频率在等效温度发生0.1℃时就会发生明显变化,可以组合多个环境和热物性参数评价人体热舒适性。     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。     

人体血糖浓度近红外光谱无创检测过程中温度对结果的影响

利用近红外光谱进行人体血糖浓度无创检测过程中,检测结果会受到很多的因素影响,如测量温度,压力等,另外还有人体的状态。在这诸多的影响因素中,温度是一个不可忽视的因素。为了研究温度对测量结果的定量影响,文章采用葡萄糖水溶液,在15,20,25,30,35,40 ℃等六个温度点处做了研究,样品浓度范围为10～200 mg·dL-1,浓度间隔为10 mg·dL-1,波长范围为1 100～1 700 nm。在各温度点处建立模型,并利用不同的模型进行相互预测。建模结果为RMSEP值最大为11.227 9 mg·dL-1,最小为3.298 8 mg·dL-1,相关系数在0.98左右。当温度改变1 ℃时,预测结果会有平均Δc＝2.662(mg·dL-1·℃-1)的预测误差,这结果表明当建立模型温度与测试时的温度一致时误差最小。另外,文章提出了可以采用两种方法来减小或者补偿由温度给测量结果来的影响。     

氢化铒高温高压下的弹性及热力学性质

利用第一性原理平面波赝势密度泛函理论, 并结合准谐德拜模型, 计算了立方萤石结构ErH2在不同温度和压强下的体积、热膨胀系数、体弹模量和等体热容等弹性性质及热力学性质。在温度高于1 100 K的条件下,计算出的等体热容趋近于Dulong-Petit极限。得到了绝对零度、零压强下ErH2的该结构的晶格常数为0.523 2 nm,与实验值0.523 0 nm非常接近。由不同的原胞体积得出了该体系的单点能与原胞体积的关系的数据;从计算出的高压下的弹性常数,根据立方晶系的力学稳定性条件,推断出立方萤石结构ErH2的相变压力约为20 GPa。     

全钒液流电池非等温模型

本文基于多孔电极、电解液及集流体热物理性质的显著差异,考虑了钒离子透过膜对电池性能的影响,建立了全钒液流电池动态工作过程的非等温模型。与文献中的实验测量值相比,钒电池电压随时间变化的最大计算误差为2.91%,验证了模型的正确性。应用该模型,重点研究了正负电极与膜构成的区域,以及集流体区域的传热传质规律。结果表明,多次充放电循环后负极电解液钒离子总量增加而正极钒离子总量减少,电池容量降低。电池的电流密度对产热有较大影响,较大的电流密度下与外界达到热平衡时温度较高。此模型对发展大功率电池堆储能系统的有重要参考意义。     

基于外部参数正交的无创血糖测量温度校正

近红外人体血糖浓度无创检测所面临的主要问题之一是人体温度变化干扰测量光谱。为此,提出使用基于外部参数正交化(EPO)的光谱预处理方法,对测量部位体温改变时的光谱进行温度校正。该方法仅需预先采集人体体温变化时的漫射光谱,即可获得消除温度干扰的滤波矩阵,利用该矩阵可以将不同体温下的光谱校正至基准温度水平。预先对外部干扰变量单独建立模型,与血糖浓度预测模型的建立分离。EPO原理提出组成光谱空间的干扰信号空间与有用信号空间正交,即温度光谱响应与葡萄糖浓度光谱响应之间彼此正交,而在实际测量中,仪器系统漂移,人体出汗等共模干扰常导致有用信号和干扰信号存在偶然相关,影响了消除温度干扰的效果。因此在进行温度校正之前,首先对原始光谱进行位置差分处理,经验证位置差分方法能够消除仪器系统漂移带来的共模干扰,获得的吸光度光谱中温度响应部分和浓度响应部分彼此正交。使用蒙特卡洛模拟人体三层皮肤模型获得血糖光谱数据,模拟样品参数均根据实际人体实验中的参数水平设置。对受温度干扰的光谱进行位置差分处理后使用EPO进行温度校正,然后利用校正后的光谱数据建立偏最小二乘回归(PLSR)模型。与校正前光谱建模结果比较,校正后的模型均方根误差(RMSEC和RMSECV)明显降低,相关系数得到一定的提高,同时主成分数减少,验证了该温度校正方法的有效性。     

基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法的模拟研究

温度变化是影响近红外无创血糖测量精度的主要因素之一。为降低温度变化对近红外漫反射光谱的影响,提出了一种基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法,即在漫反射光强对人体组织温度变化不敏感的源-探测器距离处进行光谱测量。利用Monte Carlo方法模拟了温度为30～40 ℃、葡萄糖浓度为0～300 mmol·L-1的皮肤组织在多个源-探测器距离处的漫反射光强。根据模拟结果,分析了人体皮肤组织模型中温度不敏感源-探测器距离的存在性及其受葡萄糖浓度变化的影响;比较了1 000 nm处温度恒定和温度变动时,不同源-探测器距离处漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性;进一步地,利用六个波长(1 000,1 050,1 100,1 150,1 350和1 410 nm)下的温度不敏感源-探测器距离及其他距离处的漫反射光强,建立了葡萄糖的偏最小二乘(PLS)模型,并比较了这些模型在温度恒定和温度变动时的预测精度。结果表明,在1 000～1 440 nm范围内,人体存在温度不敏感源-探测器距离,且葡萄糖浓度变化对该距离的影响可以忽略不计;当组织温度变化时,温度不敏感源-探测器距离处的漫反射光强与葡萄糖浓度的相关性及建模效果均明显优于其他源-探测器距离,基本接近样品温度恒定时的情况。研究表明,基于温度不敏感源-探测器距离的测量方法能有效降低温度变化对漫反射光强的影响,有望提高近红外漫反射无创血糖测量的精度。     

组合优化算法在冲击温度反演中的应用

冲击物理温度是武器弹药性能测试、极端环境材料状态的重要参量,温度的精准获取在国防建设和工业制造领域有重要意义。冲击过程由于持续时间短、较难接触式测量以及温度范围广等特性,常规测温方法较难满足要求。利用多光谱辐射测温法,获取材料辐射强度值,以普朗克辐射定律为基础建立温度反演模型,从而获取目标的冲击物理温度值。实际中,由于不同目标发射率存在一定随机性,在模型反演温度时误差较大。冲击压缩下材料的结构可能发生相变,发射率随之变化,因此直接将发射率模型假定用于冲击物理温度求解,很难准确的获取温度值。基于约束优化理论,将多光谱测温实验中温度求解问题转为约束优化问题。针对每个通道获取到的温度值应该相同,将物体发射率限制在特定范围,利用约束优化算法计算获取目标温度和发射率,克服了未知发射率对于冲击物理温度求解的障碍。同时,将平衡优化器算法(EO)与序列二次规划法(SQP)相结合应用于温度模型的求解中,避免了单一算法求解稳定性差和速度慢的缺点,提高了温度反演的效率和准确性。对四种常见的发射率模型在3 000 K时的发射率数据进行了仿真验证,结果表明温度反演误差均小于1%,反演时间小于3 s。最后利用本算...     

有石英窗口的圆柱形腔体热损失特性实验研究

腔体热损失特性是太阳能热发电领域的研究热点之一。石英窗口能使腔体内部与周围空气分离,改变腔体气流模式和温度分布,减小对流和辐射热损失,因此本文对有石英窗口的圆柱形腔体热损失特性进行实验研究。结果表明:石英窗口显著提高了腔体壁面温度。改变倾角和加热方式对侧壁面温度分布影响较大,底面温度基本保持稳定。腔体开口向上时,Nu_r、Nu_c无明显变化;开口向下时,Nu_r随倾角变化很小,而Nu_c变化较大。改变加热方式会引起Nu_r和Nu_c的明显变化,尤其在单独底面加热且倾角接近90°时,Nu_c迅速增加。     

Face and eyes localization algorithm in thermal images for temperature measurement of the inner canthus of the eyes

In this paper, a novel algorithm for the detection and localization of the face and eyes in thermal images is presented, particularly the temperature measurement of the human body by measuring the eye corner (inner canthus) temperature. The algorithm uses a combination of the template-matching, knowledge-based and morphological methods, particularly the modified Randomized Hough Transform (RHT) in the localization process, also growing segmentation to increase accuracy of the localization algorithm. In many solutions, the localization of the face and/or eyes is made by manual selection of the regions of the face and eyes and then the average temperature in the region is measured. The paper also discusses experimental studies and the results, which allowed the evaluation of the effectiveness of the developed algorithm. The standardization of measurement, necessary for proper temperature measurement with the use of infrared thermal imaging, are also presented.     

Three-dimensional human thermoregulation model based on pulsatile blood flow and heating mechanism

A three-dimensional thermoregulation mathematical model of temperature fluctuations for the human body is developed based on predecessors' thermal models. The following improvements are necessary in real situations: ellipsoids and elliptical cylinders are used to adequately approximate body geometry, divided into 18 segments and five layers; the core layer consists of the organs; the pulsation of the heart cycle, the pulsatile laminar flow, the peripheral resistance, and the thermal effect of food are considered. The model is calculated by adopting computational fluid dynamics(CFD) technology, and the results of the model match with the experimental data. This paper can give a reasonable explanation for the temperature fluctuations.     

人体腿部四层结构的红外热成像有限元分析

为研究人体红外热成像和体内肿瘤热源的关联,本文构建了包括骨层、肌肉层、脂肪层、皮肤层的人体腿部有限元模型。根据体内温度沿径向分布的特点,给出了各区域内动脉血液灌注热生成率随径向坐标变化的情况,解决了有限元建模中动脉血灌注热生成率随温度变化的非线性问题。进而用有限元方法数值计算了不同尺寸和不同深度的体内肿瘤所带来的温度变化。结果表明：在所研究的肿瘤尺寸范围内,肿瘤尺寸越小,体内温度提升越高,体表的峰值温度越高,体表温度分布半峰宽越窄,温度变化越陡峭。对于特定尺寸的肿瘤,肿瘤越深,体内峰值温度越高,体表的峰值温度越低,体表温度分布半峰宽越宽,温度变化越平缓。     

Acoustic thermometric data on blood flow and thermal output in forearm under physical pressure

The influence of blood flow and thermal output on temperature changes in the human forearm under physical pressure is studied by acoustic thermometry. Compression of the shoulder with a tourniquet decreases blood flow, which make it possible to evaluate the thermal output characteristics only. In calculating the depth temperature of the forearm, the thermal conductivity equation was used and blood flow and additional thermal output sources were taken into account. According to the calculations in which the experimental data were used, the peak depth temperature of the forearm at rest is 36°C. Due to thermal output alone (without blood flow), physical pressure increases this temperature to 37°C, and when both factors are considered, the temperature rises to 38°C. The experiments in question have allowed us to test acoustic thermographic method on subjects, which is an important step in adopting acoustic thermography in clinical practice.     

汽车座椅局部散热除湿研究

车内空气的温度和相对湿度是影响人体舒适性的重要因素。特别是在高温条件下,高湿对人体的影响更加明显。使用计算流体力学和计算传热学的方法,对座椅和人体接触面温湿度较高的问题进行分析。根据人体及汽车座椅的相关尺寸,建立座椅的计算模型,然后进行数值计算。从改变结构的方面考虑解决问题的途径,即在座椅与人体接触面下开槽,并强制通风。使用FLUENT软件进行数值模拟,选择k-ε模型求解温度场和湿度场。计算结果表明,这种方法可以降低汽车座椅与人接触区域的温度和相对湿度,提高局部热舒适性。所得数据为车室内人体局部热舒适性评价提供理论依据。     

高温超导体磁通跳跃数值模拟

文中基于超导磁通动力学理论,考虑电磁力与热激活对磁通运动的影响,基本物理模型由等效电阻率随超导体温度和磁场变化的磁通扩散方程,以及比热随超导体温度变化的热传导方程组成。在此基础上,用差分法数值求解了这一复杂非线性系统的磁热耦合控制方程,得到了与实验观测结果基本一致的数值模拟结果。结果还表明：外加磁场变化速度、超导体初始温度以及超导尺寸对于磁通跳跃均产生明显的影响。     

A feasible method for measuring the blood flow velocity in superficial artery based on the laser induced dynamic thermography

Infrared thermography has been proved to be a useful tool to detect thermal physiologic changes associated with various diseases. However, static and single point temperature mapping on skin surface provided by the infrared thermography has not been able to meet the requirements for evaluating the complicated physiological status of human body. In order to explore more physiological variables for possible disease diagnostics, the present paper has developed a laser induced dynamic thermographic modality to estimate the average velocity of the superficial blood flow by means of tracking thermal transport along blood flow direction. A conceptual in vivo experiment is designed to record dynamic temperature response of rabbit auricle skin by thermograph, which is then used to estimate the blood flow velocity through a derived theoretical model. In addition, the lumped parameter model is developed to calibrate the estimated error by compensating the thermal response time induced by the tissue temperature change that the current infrared thermal imaging system with limited thermal sensitivity may fail to capture. The final calibrated results are fitting well with that from the Doppler ultrasound measurement, which indeed verified the practicality and feasibility of the method developed in this work.     

基于双向热阻模型的光电热一体化理论

通过双向热阻模型描述LED系统内部双向散热路径,进而构建光电热一体化模型。基于双向热阻模型参数,光电热一体化模型可高精度预测LED系统的结温以及光通量。实验验证结果表明,基于所提出的双向热阻模型的结温计算值和实验值的平均误差在5.3%之内,而采用传统的单向热阻模型的结温计算值和实验值的平均误差达到11.2%。基于双向热阻模型的光电热一体化理论,光通量的计算值与实验值的平均误差在6.3%之内。     

高温超导磁通跳跃过程中的磁致伸缩效应

文中基于超导磁通动力学理论,考虑电磁力与热激活对磁通运动的影响,基本模型包括由等效电阻率随超导体温度和磁场变化的磁通扩散方程,以及比热随超导体温度变化的热传导方程组成.在此基础上,用数值方法求解了这组非线性磁热耦合方程,主要研究了有磁通跳跃状发生状态时环境温度和外磁场速度对于高温超导磁致伸缩的影响.结果表明:磁通进入超...