На правах рукописи 01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника Автореферат

На правах рукописи
Хромова Ирина Владимировна
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
СИСТЕМЫ «ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»
В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
01.04.14 – теплофизика и теоретическая теплотехника
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Новосибирск, 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
Высшего профессионального образования
«Новосибирский государственный технический университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук,
доцент Чичиндаев Александр Васильевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук,
профессор Алиферов Александр Иванович;
доктор физико-математических наук,
доцент Логинов Владимир Степанович
Ведущая организация:
Московский авиационный институт
(Технический университет), г. Москва
Защита состоится « 18 » декабря 2009 г. в 1000 часов
на заседании диссертационного совета Д 212.173.02
при Новосибирском государственном техническом университете.
Адрес: 630092, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского
государственного технического университета.
Автореферат разослан « 17 » ноября 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета:
кандидат технических наук, доцент
2
Шаров Ю.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Одной из актуальных проблем в области разработки систем жизнеобеспечения летательных аппаратов является обеспечение теплового комфорта для человека в рамках системы «человек – окружающая среда», в частности, это относится к задаче защиты человека от переохлаждения
при нахождении в условиях низких температур. Данные условия возникают
при аварийном отключении систем кондиционирования в гермокабинах летательных аппаратов, приземлении экипажа в условиях зимнего периода или
приводнении, а также при тренировочных работах в гидробассейне. Аналогичные задачи возникают при разработке систем кондиционирования для наземных транспортных средств и тепловой защиты гидрокостюмов. Экспериментальные исследования в таком широком диапазоне параметров окружающей
среды по фазовому состоянию, температуре и давлению крайне трудоемки и
часто сопряжены с опасностью для здоровья и жизни его участников. Одним из
вариантов решения данной задачи является разработка компьютерных моделей
процессов теплообмена в системе «человек – окружающая среда», позволяющих проводить широкий комплекс исследований без экспериментов над людьми. В литературе наиболее распространенным и общепринятым подходом для
численного исследования такого класса задач считается использование моделей теплопроводности системы из многоэлементных многослойных цилиндрических оболочек. Большинство из них относятся к стационарным постановкам
задач, использованию фиксированных теплофизических параметров слоев, а
также ограниченному диапазону параметров окружающей среды. При этом
фактически не рассматриваются такие важные особенности теплофизических
процессов в системе «человек – окружающая среда», как влияние внутренних
источников тепла и конвективного переноса тепла между различными слоями и
элементами системы, влияние фазового состояния, температуры, давления и
скорости окружающей среды. Вместе с тем учет данных факторов позволяет
получить более точные и достоверные данные для проектирования и оптимизации элементов тепловой защиты человека в условиях низких температур.
Цель и задачи исследования. 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.
В соответствии с общей целью были поставлены и решены следующие
задачи:
• разработка методики 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;
3
• проведение модельных исследований тепловых процессов в системе
«человек – окружающая среда»;
• анализ эффективности термического сопротивления средств защиты от
холода.
Научная значимость и новизна работы состоит в следующем:
• разработана методика расчета теплообмена 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:
1. Методика расчета тепловых процессов в системе «человек – окружающая среда» в условиях низких температур с учетом внутренних источников и
конвективного переноса тепла.
2. Методика расчета гидравлических характеристик в контуре теплоносителя, осуществляющего конвективный перенос тепла.
3. Результаты численного исследования закономерностей теплообмена в
системе «человек – окружающая среда» в широком диапазоне параметров
окружающей среды.
4. Анализ влияния мощности конвективного переноса тепла, внутренних
источников и теплового сопротивления средств защиты от переохлаждения на
тепловые процессы в системе «человек – окружающая среда».
Практическая ценность работы заключается:
• в разработке новой методики расчета теплообмена в системе «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.
4
Достоверность полученных результатов определяется сопоставительным
анализом расчетных данных с известными в литературе опытными и расчетными данными, а также тщательным тестированием программных модулей.
Связь с научными программами. Работа выполнена при финансовой
поддержке грантов РФФИ: № 05-08-33588, РФФИ № 09-08-00321-а, а также
фонда фундаментальных НИР НГТУ в 2009 году.
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».
Личный вклад соискателя. Все работы по теме диссертации осуществлены автором или при его основном участии: постановка задачи, разработка
метода и алгоритма ее решения, проведение расчетов, обработка и обобщение
полученных результатов, формулирование выводов и заключения.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 30 конференциях и семинарах, в том числе: 12ая, 13-ая Всероссийская научно-техническая школа-конференция студентов и
молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках»
(Пермь, ПГТУ, 2003, 2004); Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, НГТУ, 2003, 2004); Десятая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и молодых ученых (Москва, МГУ, 2004); Международная молодежная научная конференция
«XXX, XXXI, XXXII Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2004, 2005, 2006);
Всероссийская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность.
Оборона» (Новосибирск, НГТУ, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009); KORUS2005: the 9th Russian-Korean Intern. Symp. on Science and Technology (Novosibirsk, Russia: NSTU, 2005); Международная молодежная научная конференция
«XIV Туполевские чтения» (Казань, КГТУ-КАИ, 2006); Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Москва, МАИ, 2007, 2008); Всероссийская конференция «Информационные технологии в авиации и космонавтике»,
(Москва, МАИ, 2008).
По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе: 1
статья (в соавторстве) в ведущем научном журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК РФ; 5 статей (в соавторстве) в рецензируемых научных
журналах, 22 статьи в сборниках трудов международных и всероссийских конференций (7 – в соавторстве). Доля соавторов в совместных работах одинакова.
В списке публикаций автореферата приведен перечень основных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка используемых источников, включающего 191 наименования, 3 приложений на 17 страницах. Диссертация содержит 168 страниц
основного текста, 60 рисунков, 5 таблиц.
5
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность решения поставленной проблемы,
сформулированы цель и задачи работы, показана научная новизна и практическая значимость результатов исследования, приведены основные положения
диссертации.
В первой главе рассматривается общая характеристика проблемы моделирования и исследования теплообмена в системе «человек – окружающая среда» в режиме охлаждения. На основе аналитического обзора литературных источников проанализированы особенности различных методов физикоматематического моделирования данной системы. Условно модели можно разделить на два направления. Первое направление включает в себя многослойные
многоэлементные модели: J. Hardy, H.J.Stolwijk, S. Voipe, C.E. Huckaba, Shi-Hai
Xiang, Jing Liu и др. Второе направление, предложенное J. Werner, основывается на трехмерной модели с большим количеством расчетных точек. Отмечено,
что одними из самых сложных моментов моделирования системы термостабилизации является описание процессов переноса тепла теплоносителем и учет
геометрических размеров и переменности теплофизических параметров расчетных элементов и слоев. Часто в моделях системы терморегуляции это либо
не учитывается, либо отражается упрощенно.
В конце главы дается постановка задачи теплообмена в системе «человек
– окружающая среда» с учетом переменности теплофизических параметров,
внутренних источников тепла, геометрии отдельных элементов и конвективного перенос тепла с током теплоносителя, и описаны подходы к ее решению.
Вторая глава посвящена описанию методики расчета гидравлических
характеристик в контуре теплоносителя, осуществляющего конвективный перенос тепла вдоль слоев и между расчетными элементами.
В системе термостабилизации кровеносная система выполняет функцию
распределения теплоносителя (крови) между расчетными элементами и слоями. Гидравлическая система имеет два соединенных последовательно контура:
первый состоит из семи параллельно соединенных элементов большого круга
кровообращения; второй – из одного элемента малого круга (рис. 1).
Расчетные элементы делятся на две характерные группы: внешние элементы, имеющие теплообмен с окружающей; и внутренние элементы, не имеющие
теплообмена с окружающей средой. Внешние элементы состоят из двух параллельно соединенных слоев: подкожного слоя капилляров с переменными гидравлическими параметрами, зависящими от температуры окружающей среды;
капилляров мышц, в которых происходит теплообмен между теплоносителем и
тканями. Внутренние элементы состоят из одного слоя – капилляров тканей.
Подкожный слой капилляров и жировая прослойка называются «оболочкой», а
мышцы и внутренние ткани – «ядром». Все элементы первого контура подсоединены к насосу (сердцу) с помощью системы последовательно соединенных
трубопроводов, имеющих три участка: аорту, артерии и артериоллы Каждый
участок обладает характерным сочетанием гидравлических параметров (рис. 2).
6
Методика расчета гидравлических характеристик в контуре теплоносителя состоит из трех этапов: расчет сопротивления участков контура, расчет перепадов давлений в контуре и расчет распределения теплоносителя между расчетными элементами и слоями.
Расчет сопротивления участков контура. Для определения коэффициентов сопротивления были разработаны методики расчета отдельно для каждого участка. Для расчета коэффициента сопротивления сети капилляров отдельного элемента используется следующая зависимость:
128  l jðàñ÷
ki 1... 7 (var)  

(1)
4

gd
j 1
j
где d – диаметр капилляра; v     – кинематическая вязкость жидкости;
3

 îáù
i
0,375 – коэффициент, учитывающий падение сопротивления в капил-
лярах; Ωобщ – количество капилляров; Ωi количество капилляров в данном
ðàñ÷
 L  Lýêâ , Lýêâ – эквивалентные длины капилляров при
участке контура; L j
замене ими местных сопротивлений.
Рис. 1. Схема совместной работы кровеносной системы и системы термостабилизации человека
7
Коэффициент сопротивление участка артериол в общем виде представляет собой сумму коэффициентов местного сопротивлений и сопротивления
трения по длине расчетного участка:
 i 1... 7 (var) 
10
8
ìåñòí
 (   nm
n 1 m 1
l
 n n ) ,
dn
(2)
ìåñòí
где  nm
– коэффициент местного сопротивления, n – коэффициент трения,
ln – длина участка, d n – диаметр артериолы, n – номер расчетного участка по
длине сосудистого русла (расчетный участок артерий или артериол), m – тип
местного сопротивления.
Рис. 2. Схема расчетных участков сосудистого русла
Коэффициент сопротивления аорто-артериального участка (ААУ) от
источника давления до каждого элемента определяется как сумма коэффициентов местного сопротивления, сопротивления трения и потерь на вращение теплоносителя:
 i 1... 7 (var) 
10
8
ìåñòí
 (   nm
n 1 m 1
l
 n n   nâðàù ) .
dn
(3)
Расчет перепадов давлений в контуре теплоносителя осуществляется
на первом этапе гидравлического расчета. Используется система уравнений
Бернулли (4–10), которая состоит из семи уравнений, каждое из которых описывает потери давления в характерной группе потребителей:
V12
W12
Pa   (var) 1
  (var) 1
 k (var) 1G1  Pâ1  gh1  Póñê1  Ðêîìï 1 ; (4)
2
2
…
Pa   (var) 7
V7 2
2
  (var) 7
W72
2
 k (var) 7 G7  Pâ7  gh7  Póñê7  Ðêîìï 7 ;(10),
8
где: Pa – давление на входе в систему (систолическое), Pвi – давление на выходе (венозное), ΔPуск i – потери на преодоление инерционных сил, ΔPкомп i – избыточное компрессионное давление, ξ(var)i – коэффициент сопротивления аорто-артериального участка, ς(var)i – коэффициент сопротивления участка артериол, k(var)i – коэффициент сопротивления капиллярного участка i-ой части
системы, Gi – объемный расход через i-ую часть системы, Vi – скорость теплоносителя в артериях, Wi – скорость теплоносителя в артериолах,  – плотность
теплоносителя, g – ускорение свободного падения, h – разница между вертикальными координатами насоса и потребителя, индексы i = 1...7 – группы потребителей.
Уравнение Бернулли состоит из трех частей: источника давления, сопротивления участков БКК и внешних физических факторов. Источник давления
(левая часть уравнения) описывает давление на входе в систему. Сопротивление участков – первые четыре слагаемых правой части, которые описывают
потери давления в расчетных участках. Внешние факторы – в последние три
слагаемых правой части уравнения: сила тяжести описывает действие силы
гравитации на систему; инерционные силы описывают дополнительные инерционные потери для преодоления силы инерции при ускорении организма;
компрессионное давление соответствует потерям давления на преодоление избыточного воздействия окружающей среды.
Расчет распределения теплоносителя. На втором этапе полученная система преобразовывается в систему уравнений (11–17), описывающих в явном
виде расходы теплоносителя на семь основных потребителей:
V12
W12
k1G1  1
 1
 P1  0 ,
2
2
…
(11)
V72
W72
k7G7   7 
7
 P7  0 .
2
2
(17)
где P – остаток от давления на входе, приходящийся на каждый расчетный
элемент, за вычетом уровня давления на выходе и внешних факторов.
P  Pà  Pâ  gh  Póñê  Pêîìï .
(18)
Система уравнений (11…17) относится к группе нелинейных уравнений с
переменными коэффициентами и решается с помощью метода Крамера.
Геометрическими и физическими условиями однозначности для системы
уравнений являются геометрические размеры и гидравлические характеристики
контура теплоносителя: объемный расход теплоносителя, давление на входе в
систему, вид, диаметры, длины и количество трубопроводов гидравлической
сети, и скорость течения теплоносителя
Проверка достоверности модели. В качестве проверки проведено исследование влияния изменения диаметров трубопроводов на расходнонапорные характеристики элементов в контуре, а также оценка вклада сопро9
тивления 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. Установлены основные закономерности
распределения теплоносителя в широком диапазоне геометрических и физических параметров.
В третьей главе представлена разработанная методика расчёта теплообмена в системе «человек – окружающая среда», учитывающая переменные теплофизические параметры и геометрические размеры элементов, наличие внутренних источников тепла и конвективный перенос тепла с током теплоносителя вдоль слоев и между расчетными элементами.
Описание расчетного элемента. В качестве расчетного элемента выбирается участок длиной dl (рис. 3, а), представляющий собой трехслойную цилиндрическую стенку, в каждом слое которой наблюдается разное сочетание
теплообменных процессов.
а
б
Рис. 3. Расчетная схема системы «человек – окружающая среда»: а - расчетный
элемент системы термостабилизации: qкр – конвективный тепловой поток с током крови; qтп
– внутренние источники тепла; qрад – радиационный тепловой поток; tвнутр – температура
внутренней поверхности; tткани – температура внутреннего слоя (ткани); tкап_СТР – температура слоя теплоизоляции (подкожные капилляры СТС); tокр_среды – температура окружающей среды; кап_СТР – эквивалентный коэффициент теплопроводности слоя теплоизоляции;
ткани – эквивалентный коэффициент теплопроводности внутреннего слоя;  – коэффициент
теплоотдачи; б – схема системы многослойных элементов: i – номер расчетного элемента (1
– голова, 2 – руки, 3 – мышцы грудной клетки, 4 – мышцы нижней части туловища, 5 – ноги);
j – номер расчетного элемена (1 – внешний слой, 2 – средний слой «ядра», 3 – внутренний
слой «ядра»)
10
Внешний слой малой толщины δСТР = rкап_СТР – rткани («оболочка») является слоем активной теплоизоляции и участвует в процессе теплоотдачи с
окружающей средой за счет радиационной qðàä и конвективной qконв составляющих. По длине слоя происходит конвективный перенос тепла теплоноситеСТР
лем qкр
. Внутренние тепловыделения отсутствуют. В среднем слое «ядра»
толщиной δткани = rткани – rвнутр по длине слоя происходит конвективный пеòêàíè
ренос тепла теплоносителем qêð
и присутствуют объемные внутренние ис-
точники тепла qтп. Теплоотдача «ядра» в окружающую среду зависит от состояния и параметров слоя теплоизоляции. Внутренний слой «ядра» радиусом
rвнутр не имеет теплообмена с окружающей средой. В простейшем случае –
кость – служит тепловой емкостью. В более сложном – внутренние органы –
q êðâíóòð .
имеет внутренние источники тепла qмет и конвективный перенос тепла
Система уравнений теплопроводности. Для решения настоящей задачи используется уравнение теплопроводности с наличием внутренних источников тепла, записанное в цилиндрических координатах. В предложенной методике расчета принимаются следующие допущения. Перенос теплоты теплопроводностью в радиальном направлении много больше, чем в осевом, поэтому им
можно пренебречь. Ввиду малых размеров капилляров теплообмен между теплоносителем и расчетными элементами (тканями) протекает до полного теплового равновесия. Исходя из этого, тепло, переносимое вдоль слоев расчетных
элементов с током теплоносителя, можно рассматривать как объемные внутренние источники тепла переменной мощности, что существенно облегчает задачу и в тоже время адекватно описывает процесс. Исходя из принятых допущений в рамках предложенной методики, система нестационарных одномерных дифференциальных уравнений теплопроводности для исследуемой задачи
имеет следующий вид.
Внешний слой («оболочка»). Толщина слоя теплоизоляции δСТР <<
rкап_СТР, поэтому для расчета теплопроводности в слое можно использовать
уравнение теплопроводности для плоской стенки:
0 < τ < τmax, rткани < r < rкап_СТР, 0 < z < li:
T1
 2T1
ÑÒÐ
c11
 1
 qêð
.
2

r
(19)
Средний слой «ядра» 0 < τ < τmax, rвнутр < r < rткани, 0 < z < li:
  2T2 1 T2 
T2
  q  q ìûøöû
c2  2
 2 

êð
.
(20)
 r 2 r r  òï



Внутренний слой «ядра» 0 < τ < τmax, 0 < r < rвнутр, 0 < z < li:
11
  2T3 1 T3 
T3
âíóòð
q
c3 3
 3 

 qêð
ìåò
.
 r 2 r r 



(21)
Граничные условия для системы (19) – (21) записываются в виде:
T3
âíóòð
  ìåò q ìåò , q ìåò (1   ìåò )  qêð
;
r
T
T2
 3 3 , T2 = T3 = Tвнутр;
2) r = rвнутр, 0 < z < l:  2
r
r
T1
T
 2 2 , T1 = T2 = Tткани;
3) r = rткани, 0 < z < l:  1
(22)
r
r
1) r = 0, 0 < z < l:  3
4) r = rкап_СТР, 0 < z < l: T1 = Tкап_СТР,
4
4
 T
T1
 Tîêð _ ñð  
êàï _ ÑÒÐ 
ÑÒÐ

 
    (Têàï_ÑÒÐ  Tîêð_ñðåäû )  qêð
 1
  n co 
;



 100
r
100  




5) коэффициент теплоотдачи:
для свободной конвекции
Nudæ  C (Grdæ Præ ) m (Præ / Prñ ) 0,25 ,
d
где Nu 
, l – характерный размер, коэффициенты С и m зависят от соот-

ношения Grdæ Præ ;
для вынужденной конвекции
0,38
0,25
Nudæ  C Re m
Pr
(Pr
/
Pr
)
,
æ
æ
ñ
dæ
где коэффициенты С и m зависят от Re.
Начальные условия для системы (20) – (21) при τ = 0:
t1 = t2 = t3 = 37.
(23)
Уравнение связи. Чтобы связать систему уравнений теплопроводности
(19) – (23) и систему расчета гидравлических характеристик (4) – (17), используется уравнение связи, которое описывает количество тепла, переносимое с
током теплоносителя по длине слоя:
qêð ji 
ij
mij
Gêð C Pêð (t âõîäà
ij
ij
 t âûõîäà
ij
),
(25)
где Gêð ij – расход теплоносителя через расчетный элемент и слой, C Pêð –
теплоемкость теплоносителя, tвхода ij, tвыхода ij – температуры теплоносителя на
входе и выходе из расчетного элемента и слоя.
Таким образом, математическое описание расчетного элемента модели
представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений (19)
– (21), с граничными (22) и начальными (23) условиями, систему для расчета
12
расходов теплоносителя на расчетные элементы (24) в каждый текущий момент
времени и алгебраическое уравнение связи (25).
В настоящей работе для решения поставленной задачи применяется приближенный метод элементарных балансов А.П. Ваничева, который основан на
допущении возможности замены непрерывного процесса скачкообразным. Поэтому система уравнений (19) – (25) была заменена на конечно-разностную во
времени и пространстве.
Методика расчета процессов теплообмена в системе «человек –
окружающая среда». Исходя из предложенной схемы совместной работы СТС
и КС и методики расчета тепловых процессов в расчетном элементе, разработана общая схема системы термостабилизации человека (рис. 3, б). Она представляет собой систему, состоящую из восьми расчетных элементов разной
геометрической формы и с разным количеством расчетных слоев. Система
уравнений теплопроводности для расчета СТС составлена для двух контуров и
включает в себя восемь подсистем, записанных для каждого расчетного элемента согласно системе обыкновенных дифференциальных уравнений (19) –
(21) в зависимости от количества расчетных слоев.
Геометрическими условиями однозначности для расчета являются геометрические размеры, масса и площади поверхности элементов и слоев, а также расход теплоносителя через них. Физические условия – это теплофизические
параметры окружающей среды и отдельных элементов и слоев.
Определяемые параметры. Составленная система уравнений позволяет
определять значения суммарных тепловых потоков и их отдельных составляющих, среднемассовые температуры и температуры на границах слоев расчетных элементов. Определять термическое сопротивление расчетных слоев в широком диапазоне условий окружающей среды.
Проверка достоверности. В качестве проверки достоверности проводится сравнение расчетов с известными из литературы экспериментальными
данными о времени охлаждения в воде (рис. 5), а так же с модельными исследованиями о влиянии различной температуры воздушной и водной среды на
изменения во времени температур расчетных слоев.
В четвертой главе рассмотрены результаты исследования основных закономерностей теплообмена в системе «человека – окружающая среда» в условиях низких температур и приведен анализ эффективности термического сопротивления средств защиты от холода.
Влияния параметров окружающей среды. Расчеты для воздуха выполнены в следующих диапазонах параметров: температура – t = -40 … 20 ºС, скорость – V = 0 … 3 м/с, давление – P = 40 … 100 кПа. Установлено, что уменьшение температуры приводит к росту коэффициента теплоотдачи – α =
4…5 Вт/м2К на 50…60 %, тепловых потерь – q в 5 … 6, при этом происходит
резкое нелинейное падение температуры «оболочки» и рост скорости остывания «ядра» (рис. 6). Увеличение скорости среды V повышает α в 4 … 5 раза, q в
2 … 3 раза, а снижение давления уменьшает α на 25 %, q на 10 %. Во всех слу13
чаях максимальные α приходятся на конечности, минимальные на элементы
туловища – разница составляет 15 … 60 %.
Рис. 5. Сравнение допустимого времени нахождения в воде различной
температуры с известными экспериментальными данными
а
б
Рис. 6. Изменение теплофизических параметров «ядра» расчетного элемента
(руки) в воздушной среде: а – среднемассовой температуры; б – тепловых потерь
Расчеты для воды выполнены в диапазонах: температура – t = 0 … 20 ºС,
скорость – V = 0 … 2 м/с. Установлено, что уменьшение температуры приводит
к снижению α = 250 … 500 Вт/м2К на 30…40 %, q возрастает на 30 … 50 %;
увеличение скорости среды повышает α в 5 … 10 раз, q в 2 … 3 раза (рис. 7).
14
Сравнение с охлаждением в воздухе показывает резкое увеличение коэффициента теплоотдачи в 20 … 40 раз и появление двух характерных фаз в процессе
охлаждения: начальной (от 1 до 3 минут) – с резким снижением температуры
«оболочки» и соответственно α и q; регулярный режим – с плавным охлаждением «ядра» и монотонным снижением α и q. Термическое сопротивление
«оболочки» в начальной фазе увеличивается до 2 … 3 раз и сохраняется примерно постоянной в регулярном режиме. Таким образом, «оболочка» обладает
переменными теплофизическими параметрами и служит «защитным экраном»
– теплоизоляцией для «ядра».
а
б
Рис. 7. Изменение теплофизических параметров «ядра» расчетного элемента
(руки) в водной среде: а – среднемассовой температуры; б – тепловых потерь
Влияние мощности внутренних источников тепла. Расчеты выполнены в диапазоне мощности q = 0, 500 и 1000 Вт. Установлено, что с увеличением
q происходит рост температуры «оболочки» за счет конвективного переноса
тепла в нее и увеличение температуры «ядра». При этом суммарные тепловые
потери в окружающую среду возрастают за счет сохранения температур «оболочки» и «ядра» на более высоком уровне. Выполненный анализ показал, что
конвективный перенос тепла в «оболочку» снижает ее термическое сопротивление до 2 раз (рис. 8).
15
Рис. 8. Влияние мощности внутренних источников тепла на температуры на
границах слоев руки: t_кап_СТР – температура на внешней поверхности кожи, t_ткани –
температура под кожей, t_жира – температура под слоем жира, t_внутр – температура внутреннего слоя мышц (на границе с костью), t_L_кап_СТР – среднемассовая температура кожи,
t_L_ткани – среднемассовая температура мышц
Влияние термического сопротивления слоев теплоизоляции. В системе «человек – окружающая среда» на тепловые процессы существенное влияние оказывают два слоя теплоизоляции. Первый – естественный – подкожный
жир, который располагается между «оболочкой» и «ядром» и служит тепловым
экраном между ними. Анализ результатов расчета (рис. 9) показал, что при
увеличении толщины жира наблюдается резкое сокращение в 2…3 раза тепловых потерь и рост температуры «ядра». Наибольшая эффективность данного
слоя теплоизоляции наблюдается в диапазоне 0 … 20 % жира, при большем
процентном содержании эффективность увеличивается незначительно.
Вторым – искусственным слоем теплоизоляции, расположенным между
«оболочкой» и окружающей средой, служит специальная защитная одежда. В
зависимости от конструкции она позволяет создать термическое сопротивление
в диапазоне 0,2 … 2,0 м2 ·град/Вт и по своим теплозащитным свойствам разделяется на диапазоны clo = 1 … 7 (1 clo = 0,21 м2 ·град/Вт). Анализ результатов
расчета (рис. 10) показал, что при увеличении термического сопротивления защитной одежды наблюдается значительное сокращение в 4…5 раз тепловых
потерь и существенный рост температуры «оболочки» и «ядра». Наибольшая
эффективность данного слоя теплоизоляции наблюдается в диапазоне clo = 1
… 3, большие значения эффективны для случаев обеспечения комфорта при
длительном нахождении в условиях особенно низких температур. Анализ данных показал, что одним из направлений повышения эффективности защитной
одежды может быть использование переменного термического сопротивления
для различных элементов системы «человек – окружающая среда».
16
Рис. 9. Влияние толщины слоя пассивной теплоизоляции (% жира) на
суммарные тепловые потери расчетного элемента
Рис. 10. Изменение среднемассовых температур «ядра» расчетных элементов в
зависимости от значений термического сопротивления внешней теплоизоляции
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в
работе.
1. Развита методика расчета процессов теплообмена в системе «человек
– окружающая среда», 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 сопро17
тивлений оболочки и внешнего теплового слоя теплоизоляции, а также от фазового состояния и параметров окружающей среды.
2. 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 %.
3. Показано, что при снижении температуры воды от 25 до 0 ºС 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 %.
4. 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.
5. 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.
18
Список основных опубликованных работ по теме диссертации:
1. Чичиндаев А.В. Моделирование тепловых процессов системы «человек
– окружающая среда» в условиях низких температур / А. В. Чичиндаев, И. В.
Хромова // Научный вестник НГТУ. – 2009. – № 4. – С. 197–201.
2. Хромова И В. Компьютерное моделирование работы системы термостабилизации человека в условиях низких температур / И. В. Хромова, А. В.
Чичиндаев // Авиакосмическое приборостроение. – 2009. – № 3. – С. 44–55.
3. Чичиндаев А. В. Исследование воздействия эффекта вращения крови на
гемодинамические параметры кровеносной системы человека / А. В. Чичиндаев,
И. В. Фомичева // Авиакосмическое приборостроение. – 2006. – № 7. – С. 38–42.
4. Чичиндаев А. В. Численное моделирование кровеносной системы человека / А. В. Чичиндаев, И. В. Фомичева, В. В. Толстошеева // Авиакосмическое приборостроение. – 2006. – № 11. – С. 35–46.
5. Чичиндаев А. В. Оценка эффективности тренажеров для компенсации
гиподинамии в условиях длительной невесомости / А. В. Чичиндаев, И. В. Фомичева // Авиакосмическое приборостроение. – 2006. – № 12. – С. 9–19.
6. Чичиндаев А. В. Исследование воздействия невесомости и гиподинамии на работу кровеносной системы человека / А. В. Чичиндаев, И. В. Фомичева // Авиакосмическое приборостроение. – 2007. – № 4. – С. 33–42.
7. Фомичева И. В. Численное моделирование и исследование воздействия
вращения крови на параметры кровеносной системы / И. В. Фомичева // Матер.
докл. Всероссийск. научн. конф. молод. ученых. «Наука. Технологии. Инновации». – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2003. – Ч. 1. – С. 79-80.
8. Фомичева И. В. Численное моделирование кровеносной системы человека для проведения исследований в области безопасности полетов и жизнедеятельности / И. В. Фомичева // Матер. Международной молодежной науч. конф.
«XXXI Гагаринские чтения», Москва. – М. : Изд-во МАТИ, 2005. – С. – 25.
9. Фомичева И. В. Численное моделирование кровеносной системы с учетом морфологических особенностей организма / И. В. Фомичева // Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», Новосибирск. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2005. – С. 163.
10. Chichindaev A. V. Numerical Modeling of a Circulatory System of the
Person with Allowance of Morphological Features of an Organism / A. V. Chichindaev, I. V. Fomicheva // KORUS-2005. The 9 Russian-Korean intern. symp. on
science and technology, Novosibirsk, Russia : proceeding. – Novosibirsk, 2005. – P.
422-426. [Численное моделирование кровеносной системы человека с учетом
морфологических особенностей организма].
11. Фомичева И. В. Численное моделирование и исследование воздействия гиподинамии на кровеносную систему человека / И. В. Фомичева // Матер. Международной молодежной науч. конф. «XIV Туполевские чтения», Казань. – Казань : Изд-во КГТУ им. Туполева, 2006. – Том III. – С. – 188-190.
12. Чичиндаев А. В. Численное моделирование и исследование воздействия гипотермии на организм человека / А. В. Чичиндаев, Т. С. Масленникова,
И. В. Фомичева // Матер. Всероссийской научно-технической конференции
19
«Наука. Промышленность. Оборона». – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. – С.
– 358-363.
13. Фомичева И. В. Оценка эффективности тренажеров для компенсации
гиподинамии в условиях длительной невесомости / И. В. Фомичева // Матер.
Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность.
Оборона». – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. – С. – 473-478.
14. Чичиндаев А. В. Разработка модели расчета системы терморегуляции
человека с учетом гемодинамического механизма / А. В. Чичиндаев, И. В. Фомичева // Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука.
Промышленность. Оборона». – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. – С. – 478483.
15. Фомичева И. В. Моделирование системы терморегуляции человека с
учетом гемодинамического механизма / И. В. Фомичева // Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». –
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – С. – 325-330.
16. Масленникова Т. С. Численное моделирование и исследование режимов работы системы терморегуляции человека / Т. С. Масленникова, И. В. Фомичева // Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука.
Промышленность. Оборона». – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. – С. – 247252.
17. Хромова И. В. Моделирование и исследование работы системы термостабилизации человека в режиме регулярного охлаждения / И. В. Хромова //
Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – С. – 372-376.
18. Хромова И. В. Исследование охлаждения человека в условиях низких
температур и анализ эффективности средств защиты / И. В. Хромова, Ю. Д. Суглобова, А. Н. Денисова // Матер. Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». – Новосибирск : Изд-во НГТУ,
2009. – С. – 377-379.
____________________________________________________________________________________________________________________
Подписано в печать _13_._ноября_.2009. Формат 60х84х1/16.
Бумага офсетная. Тираж _100_ экз. Печ. л.1,5. Заказ № 1594
____________________________________________________________________________________________________________________
Отпечатано в типографии
Новосибирского государственного технического университета
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20,
тел./факс (383) 346-08-57
20