Исследование тепловых процессов системы человек - окружающая среда в условиях низких температур презентация

СРЕДА»
В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР






доц. каф. ТТФ, И.В. Хромова

расчета теплообмена в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур, учитывающая переменность теплофизических параметров, теплоотдачу в окружающую среду, конвективный перенос тепла вдоль слоев и между элементами, а также наличие внутренних источников тепла;

проведение модельных исследований тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда»;

- анализ эффективности термического сопротивления средств защиты от холода.

Разработка методики расчета и установление основных закономерностей тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур с учетом внутренних источников и конвективного переноса тепла в широком диапазоне параметров окружающей среды

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур;
выполнено численное исследование и установлены закономерности тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда» в режиме охлаждения в воздушной и водной средах в широком диапазоне температур, скоростей движения среды и внешнего давления;
проведен анализ влияния мощности внутренних источников тепла, конвективного переноса и теплового сопротивления слоя теплоизоляции на процесс теплоотдачи в системе «человек – окружающая среда».

На защиту выносятся:

Методика расчета тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур с учетом внутренних источников и конвективного переноса тепла.
Методика расчета гидравлических характеристик в контуре теплоносителя, осуществляющего конвективный перенос тепла.
Результаты численного исследования закономерностей теплообмена в системе «человек – окружающая среда» в широком диапазоне параметров окружающей среды.
Анализ влияния мощности конвективного переноса тепла, внутренних источников и теплового сопротивления средств защиты от переохлаждения на тепловые процессы в системе «человек – окружающая среда».

«человек – окружающая среда» с учетом внутренних источников и конвективного переноса тепла в широком диапазоне параметров окружающей среды;

в установлении закономерностей влияния мощности внутренних источников и конвективного переноса тепла, а также теплофизических параметров теплоизоляции на интенсивность охлаждения;

в разработке пакета прикладных программ, позволяющего выполнять комплексные исследования тепловых процессов в системе «человек - окружающая среда» и проводить анализ эффективности средств тепловой защиты;

в обобщении учебного материала для студентов авиационных специальностей в курсах «Системы жизнеобеспечения и защиты летательных аппаратов», «Теплообменные устройства», «Компьютерное моделирование теплофизических процессов», «Биофизика процессов жизнедеятельности», «Моделирование процессов жизнедеятельности и термостабилизации», курсового и дипломного проектирования.

Реализация и внедрение результатов работы

Разработанный пакет прикладных программ по моделированию и исследованию работы кровеносной системы и системы термостабилизации человека внедрен в учебный процесс НГТУ и МАИ для специальности «Системы жизнеобеспечения и защиты летательных аппаратов». Материалы диссертации используются при корректировке имитационной модели «ЭКИПАЖ» аппаратно-программного комплекса обслуживания экипажем регенерационных систем жизнеобеспечения (АПКОЭС) в рамках проведения 105ти суточного наземного эксперимента по программе пилотируемого полета на Марс (проект «Марс-500»).

В СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»

ядро
(внутренности,
мышцы)

оболочка
(кожа, подкожные
капилляры СТР, жир)

А.Ю., Васин Ю.А.,
Shi-Hai Xiang, Jing Liu и др.

тепла между расчетными элементами;

разработать методику расчета тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда», учитывающую теплоотдачу в окружающую среду, конвективный перенос тепла, внутренние источники тепла и переменность теплофизических параметров окружающей среды;

проверить достоверность предложенной модели с помощью численного исследования теплообмена в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур и сравнения результатов с экспериментами и расчетами других авторов;

по результатам разработки провести модельные исследования основных закономерностей теплообмена в системе «человек – окружающая среда», в частности влияние теплофизических свойств окружающей среды, мощности внутренних источников тепла, а так же параметров слоя теплоизоляции на поля температур и характер тепловых потоков

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

СТС

Па·с, в мелких артериях и артериолах 2/3 ηкр, плазма ηпл = 1,2 ηводы;

Для расчета местных сопротивления используется справочник И.Е. Идельчика;

Диапазоны Re характерны для ламинарного течения жидкости:



Коэффициент сопротивления артериол рассчитывается путем задания диапазонов длина/диаметр, капилляров – через отношение общее число/количество на данном участке

Сердце – насос переменной мощности

Расчеты проводятся в квазистационарном приближении

сопротивления капилляров

– руки,
3 – мышцы верхней части туловища,
4 – сердце
(а – левый желудочек,
б – левое предсердие,
в – миокард,
г – правый желудочек,
д – правое предсердие),
5 – внутренности
(а – печень, б – желудок,
в – селезенка, г – почки,
д – кишечник,
е – репродуктивные органы),
6 – мышцы нижней части туловища,
7 – ноги, 8 – легкие, 9 – аорта,
10 – полые вены
(а – верхняя, б – нижняя)

сопротивления (верх DP) и энергии (низ DN)
вращательного движения теплоносителя для различных углов закрутки теплоносителя

работы на перераспределение
теплоносителя между расчетными элементами и слоями

в контуре теплоносителя, осуществляющего конвективный перенос тепла вдоль слоев и между расчетными элементами.
2. Представлена характеристика получаемых результатов: сопротивление участков сосудистого русла от источника давления до потребителей, энергетические характеристики вращательного движения в аорте в зависимости от угла закрутки миоцитов, остаточное давление и перераспределение теплоносителя между расчетными элементами.
3. Показано, что оптимальным углом закрутки миоцитов является угол 55 º, т.к. в этом случае происходит максимальный прирост энергии при минимальном приросте сопротивления. Рассчитан вклад сопротивления аото-артериального участка от источника давления до каждого расчетного элемента. Установлено, что сопротивление растет пропорционально удалению элемента от источника: от 3 % до 17 % в зависимости от удаления. Кроме того, выявлен вклад сопротивления аорто-артериального и артериольного участков контура, который составляет 40 … 50 % от общего сопротивления. Установлено, что внешняя работа приводит к увеличению объемного расхода теплоносителя на «оболочку» в 3 … 4 раза. Изменение диаметров трубопроводов также ведет к перераспределению теплоносителя между расчетными элементами: уменьшение диаметров в одном элементе приводит к увеличению расхода в другом на 15 … 25 %.
3 Показано что изменение силы гравитации от 0 до 1 g меняет величину расхода теплоносителя на расчетный элемент на 20…50 %. Механическая работа термодинамической системы увеличивает расход в ядре расчетного элемента на 15 … 30 %, а в слое теплоизоляции на 100…200 %.
4. В качестве проверки достоверности проведено исследование влияния изменения диаметров трубопроводов на расходно-напорные характеристики элементов в контуре, а также оценка вклада сопротивления различных участков гидравлической системы. В результате сравнения расчетных данных с известными опубликованными данными установлено расхождение ±10 %, показаны чувствительность и возможности методики расчета и оценены границы ее применимости.
5. Разработанная методика позволяет рассчитывать расход теплоносителя, поступающего в «оболочку» при охлаждении, для учета количества тепла, переносимого кровью, при расчете тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда».

радиальном направлении много больше, чем в осевом, поэтому:


Тепло, переносимое вдоль слоев расчетных элементов с током теплоносителя, можно рассматривать как объемные внутренние источники тепла переменной мощности (ввиду малых размеров капилляров теплообмен между теплоносителем и расчетными элементами протекает до полного теплового равновесия )

Толщина слоя теплоизоляции δСТР << rкап_СТР, поэтому для расчета теплопроводности в слое можно использовать уравнение теплопроводности для плоской стенки

Т.к. размеры капилляра очень малы, а их количество в каждом расчетном элементе очень большое, то зависимостью температурного поля от распределения скоростей можно пренебречь

В каждый текущий момент времени ∆τ процесс теплообмена с окружающей средой является стационарным.

Процесс распространения теплоты определяется значениями эффективного коэффициента теплопроводности, удельной теплоемкости и плотности. Плотность и удельная теплоемкость в пределах слоя элемента изменяется незначительно и считается постоянной. Эффективный коэффициент теплопроводности принимается линейной функцией температуры λэффект(t)

(j = 1)

Система уравнений теплопроводности

Уравнения движения

Уравнения связи

- объемные тепловыделения среднего слоя

- объемные тепловыделения внутреннего слоя

- конвективный перенос тепла теплоносителем

СЛОЕВ

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР НА ГРАНИЦАХ СЛОЕВ

- ядро (j = 3)

- мышцы (j = 2)

- подкожный слой сети капилляров (j = 1)

многослойных элементов: i – номер расчетного элемента (1 – голова, 2 – руки, 3 – мышцы грудной клетки, 4 – сердце, 5 – внутренние органы, 6 – мышцы нижней части туловища, 7 – ноги, 8 - легкие); б – условно-гидравлическая схема: 1 – вход теплоносителя в первый контур; II – выход теплоносителя из первого контура; III – выход из второго контура; IV – выход теплоносителя из внутреннего слоя ядра; 1, 2 – насос (сердце); расчетные элементы: 3 – легкие; 4 – голова; 5 – руки; 6 – мышцы грудной клетки; 7 – мышцы миокарда; 8…10 – органы пищеварения; 11 – почки; 12 – мышцы нижней половины туловища; 13 – ноги

с экспериментальными данными:
TAU_qвнутр – расчетное время остывания при различной мощности внутренних источников тепла

с результатами модели Баранова А.Ю.

ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ

tводы = 0 ºС

среде: 1 – голова (head), 2- руки (hand), 3 – грудь (ups),
4 – внутренности (vnut), 5 – живот (down), 6 – ноги (leg), 7 – суммарная (SUMM),
bp – биологический порог, exp – экспериментальные точки

в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур с учетом конвективного переноса и внутренних источников тепла.
2. Представлена характеристика полученных результатов: тепловых потоков, среднемассовых температур и температур на границах слоев расчетных элементов. Описаны два режима охлаждения: сброс температуры «оболочки» (начальная стадия) и остывание «ядра» (регулярный режим), что качественно и количественно согласуется с известными из теории теплообмена данными о процессе охлаждения.
4. В качестве проверки достоверности проведено сравнение расчетов с известными из литературы экспериментальными данными о времени охлаждения в воде, а так же с модельными исследованиями о влиянии различной температуры воздушной и водной среды на изменения во времени температур расчетных слоев. Получено качественное и количественное согласие в пределах ± 3 … 15 %, показаны чувствительность и возможности модели.
5. Предложенная методика расчета тепловых процессов теплообмена в системе «человек – окружающая среда» позволяет проводить модельные исследования с целью установления закономерностей процессов теплообмена при охлаждении системы в воздушной и водной среде в широком диапазоне режимных параметров.

влияния параметров окружающей среды

Сравнение процессов теплообмена в воде и в воздухе
Влияние температуры среды на процесс теплообмена
Влияние давления и скорости среды на процесс теплообмена

Анализ термического сопротивления теплоизоляции

Исследование термического сопротивления оболочки
Анализ эффективности термического сопротивления внешней теплоизоляции

Исследование влияния мощности внутренних источников тепла

в воде и в воздухе для разных расчетных элементов

вклад составляющих теплового потока на примере одного расчетного элемента (руки)

В ВОДЕ И ВОЗДУХЕ

воды

изменение среднемассовой температуры расчетного элемента
в зависимости от температуры воды

влияние температуры воды на коэффициент теплоотдачи расчетных элементов

расчетного элемента (руки) в воздушной среде: а – среднемассовой температуры; б – тепловых потерь

(руки) в водной среде: а – среднемассовой температуры; б – тепловых потерь

ЖИРОВАЯ ПРОСЛОЙКА

жира) на суммарные тепловые потери расчетного элемента

влияние толщины слоя пассивной теплоизоляции (% жира) на среднемассовую температуру «ядра»

элемента с ростом толщины слоя пассивной теплоизоляции

в воздухе

зависимость эффективного коэффициента теплопроводности активного слоя теплоизоляции расчетного элемента
от мощности внутренних источников тепла

элемента от мощности внутренних тепловыделений

изменение эффективного коэффициента
теплопроводности активного слоя теплоизоляции (LA) в зависимости от
температуры окружающей среды

сопротивления внешней теплоизоляции

зависимость среднемассовой температуры ядра расчетного элемента от термического сопротивления внешней теплоизоляции

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВНЕШНЕЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

тепловые потери руки

влияние мощности внутренних источников тепла на температуры на границах слоев расчетного элемента

в зависимости от характера мощности внутренних источников тепла

зависимость среднемассовых температур слоев расчетных элементов от характера изменения мощности внутренних источников тепла

учитывающая внутренние источники и конвективный перенос тепла, а также изменения термических сопротивлений слоев теплоизоляции. Установлены границы применимости разработанной методики расчета при охлаждении в воздушной и водной средах. Показано, что тепловые потоки и распределения температур в слоях существенно зависят от мощности внутренних источников тепла, конвективного переноса тепла, термических сопротивлений оболочки и внешнего теплового слоя теплоизоляции, а также от фазового состояния и параметров окружающей среды.

Обоснована и предложена инженерная методика расчета расходов теплоносителя в слоях, позволяющая определять конвективный перенос тепла с учетом особенностей гидравлической системы и геометрических параметров ее основных участков. Установлены границы применимости разработанной методики расчета. Показано что изменение силы гравитации от 0 до 1 g меняет величину расхода теплоносителя на расчетный элемент на 20…50 %. Механическая работа термодинамической системы увеличивает расход в ядре расчетного элемента на 15 … 30 %, а в слое теплоизоляции на 100…200 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

суммарные тепловые потери системы увеличиваются с 1 до 4,5 кВт, причем в начальной фазе охлаждения происходит резкое снижение температуры оболочки, что приводит к снижению тепловых потерь в 2 … 3 раза. Одновременно термическое сопротивление оболочки вырастает в 2 … 3 раза. В регулярном режиме охлаждения наблюдается постепенное остывание ядра вплоть до температуры окружающей среды. При охлаждении в воздушной среде установлено увеличение времени начальной фазы в 5 … 7 раз и снижение суммарных потерь до 0,2 … 1,0 кВт. Установлено, что изменение параметров внешней среды существенным образом сказывается на процессы теплообмена за счет изменения коэффициента теплоотдачи, в частности коэффициент теплоотдачи: при снижении температуры воздуха от 20 до -40 ºС увеличивается на 50…60 %, росте скорости от 0 до 3 м/с – увеличивается в 4 … 5 раза, а при снижении давления от 100 до 40 кПа уменьшается на 25 %.

Установлено, что увеличение мощности внутренних источников тепла от 0 до 1,0 кВт при охлаждении в воде приводит к росту среднемассовых и температур на границах слоев, причем температура ядра увеличивается на 50 %, а температура оболочки на 30 … 40 %. При этом ее термическое сопротивление оболочки снижается на 30 %. За счет этого суммарные тепловые потери системы вырастают на 20 … 30 %. Увеличение термического сопротивления внешнего слоя теплоизоляции в диапазоне 0,2 … 2,0 м2 ·град/Вт приводит к значительному сокращению в 4…5 раза тепловых потерь и существенному росту температур оболочки и ядра.

Разработан пакет прикладных программ для проведения численного исследования тепловых процессов теплообмена в системе «человек – окружающая среда» с учетом изменения теплофизических параметров. Разработанный пакет программ апробирован в учебно-методических изданиях и внедрен в учебный процесс НГТУ. Полученные результаты дают возможность исследовать процессы теплообмена в системе «человек – окружающая среда» для условий низких температур в широком диапазоне параметров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

открытого «Всероссийского конкурса на лучшую научную работу по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации» в разделе «Ракетные, аэрокосмические и авиационные системы» (2006 г.)
Гранты Новосибирского государственного технического университета (2004 - 2005 гг., 2005 - 2006 гг.)
18 дипломов международных и всероссийских конференций студентов, аспирантов и молодых ученых (2003 – 2007 гг.)
Стипендия Правительства Российской Федерации (2005 г.)
Стипендия Администрации  Новосибирской области (2004 г.)
Стипендия Мэрии г. Новосибирска (2007 г.)
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ: № 05-08-33588, РФФИ № 09-08-00321-а, а также фонда фундаментальных НИР НГТУ в 2009 году

РАБОТА ОТМЕЧЕНА

ткани

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

ТЯЖЕСТИ

ткани

гиподинамия

физ. нагрузка