供气式安全头盔是一种应用广泛的呼吸防护装备,其通过将头部和呼吸系统与外部环境进行隔离为头部和呼吸系统提供必要的防护。防护头盔内部的呼吸微环境中存在的气流分布不均,压力波动变化,热量积累温度升高以及二氧化碳积累等问题,会对佩戴者的安全性和舒适性造成影响。本文将理论建模,实验研究以及数值模拟方法结合,以理论建模结果和实验测试结果作为数值模拟研究的基础,为数值分析提供边界条件,最后通过数值模拟手段对供气式安全头盔呼吸微环境的特性展开研究。通过对防护头盔和人体头部构成的人机系统进行分析,得到了呼吸微环境内部状态的主要影响因素为人头部的新陈代谢产热散热,人体的呼吸作用,以及头盔内部供气参数。对人体的传热,散热以及热量调控机制进行分析,根据人体对体温调节的模糊性并结合头部结构和组织分布特点,构建了人体头部的传热散热模糊控制模型,在相同计算条件下该模型的计算结果相比其他模型更接近测量值,为数值模拟研究中头部产热散热量的计算提供了理论基础。设计搭建了呼吸参数采集系统并开展呼吸实验,获得了不同劳动强度下的呼吸压力和呼吸频率等参数,得到了呼吸压力曲线的数学表达式。对实验中采集的呼气样本进行气相色谱分析,得到了对应劳动强度下呼出气成分数据,实验结果为数值模拟中的呼吸边界条件设定提供了基础。开展了对流条件下头部的降温实验,获得了头面部皮肤在对流条件下的温度数据和被试者的头部局部主观热感觉数据,分析了头面部皮肤降温规律。结果显示不同面部区域的降温速率,降温幅度和最终稳定温度存在明显差异。对面部平均温度和局部热感觉值进行回归分析,得到了二者的关系式,可对头部局部热感觉进行量化评价。构建了供气式安全头盔呼吸微环境特性的虚拟三维仿真环境并对微环境特性进行数值模拟研究。得到了不同劳动强度和多种供风参数下,微环境内部压力波动特点、温度分布、气流分布、气体成分以及人体对不同气体的重吸入的规律。针对呼吸微环境存在的呼吸作用导致瞬时负压,气流分布不均造成热量积累进而导致温度升高以及CO2和H2O气体积聚等问题提出优化方案,并通过数值模拟进行了验证。结果显示在合适位置增加供风口,可以使呼吸微环境中的气流分布更均匀,消除了顶部和斜后方的热量积累,降低了呼吸微空间内部的温度,头部温度分布更均匀,同时避免了因增加风量造成的头部热感觉下降。