第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
当前，中国已经步入了老龄化社会，60 岁以上人口已经超过了 1.49 亿，占全国人口的 11%。据估计，从 2020 年开始，中国将步入老龄化严重阶段；2050 年，中国将步入超高老龄化国家行列，60 岁以上人口将占到人口总数的30%。人口的老龄化对劳动力市场、医疗资源、社会保障等社会诸多方面带来巨大压力。同样，残疾人也是不容忽视的群体，目前我国各类残疾人总数达 8296万人，占全国总人口的比例为 6.34%。全国有残疾人的家庭共七千多万户，残疾人所影响到的家庭，涉及到 2.6 亿人。由于社会、经济的转型、急速增长的老龄人口使得家庭养老功能弱化，急需养老院、福利院等公共养老机构，突显老人服务行业和服务产品发展相对滞后，难以满足庞大的老年人群的服务需求。全国约有 1400 多万老年人要求进入老年福利机构养老，无论在养老院或残疾人家庭，个人卫生洗浴都是难题。尤其是对丧失自理能力的老年人和重残人来说，最重要的日常护理之一就是洗澡。而目前市场上这类能降低护理人员劳动强度的设备远远不能满足需要，且功能过于单一、自动化水平和安全质量问题亟待解决。因此，从我国社会养老和关爱残疾人服务的实际需求出发，开发相关领域的产品和服务，能够切实提高老年人及重残人的生存质量，让他们感受到社会的关爱，实现我国 2015 年“人人享有康复服务”的国家战略目标和社会协调发展。
解决人口老龄化等带来的重大社会服务问题。本课题从满足老年人、残疾人等特殊群体的日常洗浴护理需求出发，面向公共养老助残机构，开发和研制个人卫生护理机器人，为老年人或残疾人提供洗头、洗澡、干身、按摩和康复等护理服务产品，面对我国如此巨大的老年人及残疾人群体，本项目产品具有非常广阔的市场前景和社会效益。
1.2 国内外研究现状
国外发达国家在老年人、残疾人护理方面研究起步较早，具有较高的水平。日本早在 1970 年的大阪世界博览会上，三洋电机就展示了一款全自动洗澡机，如图 1-1 所示。目前国外开发的自动护理洗浴机主要有升降入浴式、横向入浴式等。升降式入浴洗浴机，通过液压升降系统，能够解决了无自理能力的老年人入浴问题，也适合重症残疾人使用，但是机构复杂、有传动噪音；横向入浴式洗澡机，是一种带担架的洗澡机，人躺在担架上从侧面上部直接进入浴舱，该设备解决了全身瘫痪人的入浴问题，设备外形占用空间大，功能单一，不具备洗头功能，受众群体较窄。另外，国外比较成熟的产品还有德国开发的旋转进入式自动护理洗浴机，如图 1-2 所示。该护理洗浴机是一种全自动、智能化老年人专业洗浴设备，全自动浴舱使用遥感器控制，可以大角度立起，老年人进出方便，床面可平放或调节成座椅式，移动器还可以通过液压系统升降，以适应老年人、残疾人进出洗浴的特点，整套设备结构比较复杂，造型单调，改动空间很大。目前国内销售的产品，大多代理国外品牌，在技术方面没有自主知识产权，缺少核心竞争力。
对浴舱内流场数值模拟分析，可以显著提高浴舱的洗浴效果，缩短产品的开发周期，降低研发成本。尤其是考虑人体-浴舱一体状态，更加符合实际情况。早在 1933 年英国人 Thom 首次用手摇计算机求解了二维粘性流体偏微分方程，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)技术由此而生。二十世纪七十年代计算流体力学有了突飞猛进的发展，加快了前进的速度，并且取得了许多重要研究成果。考虑人-机-环境相互作用的 CFD 研究，是丹麦的 Nielsen 首次将 CFD 应用于暖通空调领域，对通风房间内的空气流动进行模拟，由此开始了人们对有限空间内流场的研究与应用，在二十世纪八十年代的研究应用趋于成熟；日本的 Shuzo Murakami 等基于 CFD 对人体周围的风环境进行了研究，指出人体周围的风环境不仅和来流速度大小有关，还与湍流强度及来流方向等因素有关[1]；加拿大的 Juan Abanto 等人利用 Fluent 软件对计算机房内人体周围的流场进行了研究，指出房间的进风口布局会对人体周围流场有很大的影响[2]；Naiping Gao 及 Donghyun Rim 也都分别对人体周围的空气流动情况进行了研究[3,4]；近期研究流场对人体作用比较成功的项目是美国太空总署研制的“第四代鲨鱼皮”泳衣，它主要研究人体与外部流场的相互作用，采用了 CFD 虚拟实验，通过创建数字人体模型，模拟实际的流体流动情况，使人体周围的水流达到最佳。国内利用 CFD 对有限空间内流场的研究和应用起步稍晚，2008 年，胡建国等利用计算流体力学软件实现了冲落式坐便器冲水排污过程的数值仿真，为坐便器冲水系统设计提供指导[5]；徐丽等采用雷诺平均的 N ? S方程与 RNGk ? ε涡粘性湍流模型，针对三种不同通风方案对内设障碍物、污染源和集中热源的房间内的三维速度场、温度场以及污染物 CO2的浓度分布进行了数值模拟分析，通过对室内气流组织特性和污染物传播规律进行模拟，为评估有限空间室内空气品质和研究人体舒适性提供有力依据，是 CFD 对有限空间内流体流场的研究在环境卫生学领域的具体应用[6]；目前 CFD 方法在进出口流场研究模拟应用方面也已被实践证明是有效和可靠的[7-13]。尽管国内外在人体周围流场研究方面都取得一定研究成果，但是目前水循环模式对浴舱-人体周围流场的影响研究未见报道，也没有基于人体舒适度的浴舱的进出水口位置和水流速度大小方面的优化研究。
1.3 本文主要研究内容
本研究课题来源于国家高技术研究发展计划资助项目（863 计划）：个人卫生护理机器人（2008AA040208）。在基于流场数值模拟的浴舱结构优化设计过程中，本文在对个人卫生护理机器人整体功能进行充分分析基础上完成了浴舱的三维 CAD 模型设计；并利用流体计算软件对不同的浴舱洗浴水循环模式进行数值模拟计算，确定了浴舱的最佳洗浴模式；根据 CFD 计算分析结果所确定的循环洗浴模式，对浴舱进行了结构优化设计；根据上述研究结果，确定了人体进出浴舱的洗浴模式及相关辅助装置结构设计，研制出了个人卫生护理机器人浴舱样机。
具体研究内容如下：1. 根据老年人、残疾人的特点，对个人卫生护理机器人整体功能进行充分分析的基础上，完成了浴舱的三维 CAD 设计。2. 根据浴舱的结构形式及水流与人体表面作用形式的不同，对浴舱洗浴模
第2章 浴舱的结构设计................. 12-20
2.1 个人卫生护理机器.................. 12-13
2.2 浴舱的三维CA.................... 13-14
2.3 浴舱-人体计算模.................. 14-15
2.3.1 人体模.................... 14
2.3.2 浴舱-人体CFD 模型................. 14-15
2.4 浴舱洗浴水循环模................ 15-17
2.5 浴舱-人体CFD 计算模................. 17-18
2.6 本章小................. 18-20
第3章 有限空间内浴舱-人体的流.................. 20-40
3.1 数值模拟的理................. 20-26
3.1.1 流体力学控制.................... 20-23
3.1.2 湍流模................ 23-24
3.1.3 VOF 方...................... 24-25
3.1.4 并行计................. 25-26
3.2 边界条件.................... 26-27
3.2.1 自由表面的................. 26
3.2.2 初始条件和边.................... 26-27
3.3 求解过................... 27-30
3.3.1 CFD 求解.................... 27-28
3.3.2 串行fluent 的................. 28-29
3.3.3 并行fluent ................. 29-30
3.4 流场计算结果及.................... 30-39
3.4.1 模式一计算结.................. 30-32
第6章 结论
6.1 主要结论
本文在对浴舱的自动洗浴功能充分分析与研究的基础上，完成了浴舱的三维CAD 设计, 通过对浴舱洗浴模式研究,归纳总结了四种不同的洗浴模式，并对不同洗浴模式的浴舱-人体模型进行适当简化，建立了浴舱不同循环模式下的浴舱-人体 CFD 计算模型。对不同洗浴模式下浴舱内人体周围的流场进行数值模拟计算研究，得到了人体近表面的速度分图、不同洗浴模式浴舱内流体迹线图及人体近表面不同速度范围内面积比例柱状图，并对四种不同洗浴模式下的数值模拟计算结果进行对比分析，确定了最佳洗浴模式。以最佳洗浴模式下浴舱-人体的流场模型为研究对象，从该最佳洗浴模式浴舱进出口相对位置坐标、进水口速度和洗浴过程的舒适性等方面对浴舱结构进行优化设计。最后完成了浴舱进舱辅助机构、护理座椅、自动洗头机构和外观造型设计，研制出适合老年人、残疾人用个人卫生护理机器人浴舱样机。
本文主要工作及研究结论如下：1. 浴舱结构设计必须符合护理机器人功能的要求，因此浴舱结构设计必须是在对整体功能的充分分析基础上。考虑到人体舒适度完成洗浴应满足水流洗浴所需流体运动必要空间、人体几何尺寸等因素后确定了浴缸的内部空间尺寸及结构形式。完成了浴舱的三维 CAD 模型的设计。2. 由于浴舱内水的流动是靠进水口的水流动力驱动的，洗浴模式对洗浴效果有着至关重要的作用。通过分析水的进、出及循环模式，在固定进水口数的前提下，根据水流与人体表面不同作用形式确定了四种循环模式：旋转进水循环模式；前后进水循环模式；侧向进水循环模式；四面进水循环模式。3. 针对四种不同的浴舱水循环模式，借助 CFD 软件对控制方程进行求解，得出了不同模式下的人体近表面的水流速度矢量图、速度分布图、浴舱进水口迹线图及其它相关参数。通过提取人体近表面速度分布来近似分析人体表面水流速度情况，得出了四面进水循环模式是浴舱的最佳洗浴模式，可为浴舱的进水设计及洗浴模式提供理论依据。4. 在最佳洗浴模式的基础上，建立了浴舱-人体数值优化参数模型，从浴舱进出口相对坐标值和进水口速度值的大小方面，对浴舱进行了基于 iSIGHT 的结构优化设计，优化后洗浴效果较初始条件得到了明显提升，浴舱进出水口布局更加合理，并对优化结果进行了验证，优化结果改善明显，可为浴舱的结构优化设计提供参考，为浴舱最优化进水口速度提供指导。5. 以流场仿真和优化结果为依据，完成了对浴舱进出水口循环模式的选择及进出水口位置参数的确定。最后针对浴舱的自动洗浴功能及辅助装置，完成了浴舱进舱机构设计、护理座椅设计及自动洗头设计，并对浴舱进行了外观造型设计，开发出了个人卫生护理机器人浴舱产品样机。6．把计算机数值模拟计算与优化应用于产品样机的实际开发过程中，理论研究与生产实践相结合，符合现代设计研究理念。
6.2 研究展望
本文通过对基于流场数值模拟的卫生护理机器人浴舱结构优化设计研究，不仅显著提高了浴舱的洗浴效果，还确定了浴舱进水口速度的最优化值，完成了浴舱样机的设计开发。今后本研究有些部分还有待进一步完善和改进，主要体现在以下几个方面：1.可以对进出浴舱及其他辅助机构进行运动学和动力学分析，进一步提高设计质量。2. 洗浴过程中，除了压力舒适性的要求之外还有热舒适性等，结合人体对压力舒适性及热舒适性的要求对洗浴模式、浴舱结构、进水流速及温度场分布进行研究。3. 该产品样机还缺少相应试验测试数据，这将是下一步研究工作的重点。
参考文献
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