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

1.

Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Летательных Аппаратов
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
СИСТЕМЫ «ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»
В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
доц. каф. ТТФ, И.В. Хромова
1

2.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Глава 1. Современное состояние вопроса о моделировании и исследовании тепловых процессов в
системе «человек – окружающая среда»
Глава 2. Расчет гидравлических характеристик в
контуре теплоносителя
Посвящена описанию методики расчета гидравлических
характеристик в контуре теплоносителя, осуществляющего
конвективный перенос тепла между расчетными элементами
Глава 3. Моделирование тепловых процессов в
системе «человек – окружающая среда»
Представлена разработанная методика расчёта теплообмена
в системе «человек – окружающая среда», учитывающая
геометрические размеры элементов, наличие внутренних
источников тепла и конвективный перенос тепла с током
теплоносителя между расчетными элементами в широком
диапазоне теплофизических параметров окружающей среды
Глава 4. Исследование процессов теплообмена в системе «человек – окружающая среда»
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
2

3.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА
СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЛА
Выживание в условиях аварийной
посадки
Экспериментальный подход:
Институт медико-биологических проблем
РАН (ГНЦ РФ-ИМБП РАН)
ГНИИЦ Военной медицины МО РФ
3
3

4.

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;
-
проведение модельных исследований тепловых процессов в системе
«человек – окружающая среда»;
-
анализ эффективности термического сопротивления средств защиты от
холода.
4

5.

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.
2.
3.
4.
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».
5

6.

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.
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
6
программе пилотируемого полета на Марс (проект «Марс-500»).

7.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О
МОДЕЛИРОВАНИИ И ИССЛЕДОВАНИИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В
СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»
ядро
(внутренности,
мышцы)
СИСТЕМА ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ
исполнительные механизмы
химический
физический
внутренние
источники
тепла
теплоотдача
излучение
гемодинамический
конвективный
перенос
тепла
датчики ЦНС
ЦЕНТРАЛЬНАЯ НЕРВНАЯ СИСТЕМА
оболочка
(кожа, подкожные
капилляры СТР, жир)
7

8.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ЧЕЛОВЕКА
Модель J. Werner
Модель И.И. Ермаковой
dTij
cij mij
M ij QijK 1 QijK QijB QijC QijR QijE Q RS
dt
const
i 14
Баранов А.Ю., Васин Ю.А.,
Shi-Hai Xiang, Jing Liu и др.
( )с( )
Ti
div [ , Q( , t )]gradT ( , t ) U ( , t )
t
var
i 160000
8

9.

КЛАССИФИКАЦИЯ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА РАБОТУ
СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ЧЕЛОВЕКА
ВНЕШНИЕ ФАКТОРЫ
СОСТОЯНИЕ ЗДОРОВЬЯ
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЭЛЕМЕНТОВ И СЛОЕВ
ЦНС
характер,
темперамент,
стрессоустойчивость
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
ПОЛОВОЗРАСТНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ФОРМА
И РАЗМЕРЫ ЭЛЕМЕНТЫ
ТИП КОНСТИТУЦИИ,
ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
9

10.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
10

11.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
разработать методику расчета гидравлических характеристик в контуре теплоносителя,
осуществляющего конвективный перенос 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
11

12. ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В КОНТУРЕ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

СХЕМА СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ КС И СТС
12

13. ПРИНЯТЫЕ ДОПУЩЕНИЯ

ηкр = 0,005 Па·с,
в мелких артериях и артериолах 2/3 ηкр, плазма ηпл = 1,2 ηводы;
1. Вязкость крови – фиксированная: в крупных сосудах
2. Для расчета местных сопротивления используется справочник
Идельчика;
И.Е.
3. Диапазоны Re характерны для ламинарного течения жидкости:
Re
w 0 D0
υ
Re 2000
4. Коэффициент сопротивления артериол рассчитывается путем
задания диапазонов длина/диаметр, капилляров – через отношение
общее число/количество на данном участке
5. Сердце – насос переменной мощности
6. Расчеты проводятся в квазистационарном приближении
13

14. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯ УЧАСТКОВ КОНТУРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

14

15. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СОПРОТИВЛЕНИЯ УЧАСТКОВ КОНТУРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

Коэффициент сопротивления аорто-артериального участка
10
8
местн
i 1...7 (var) ( nm
n
n 1 m 1
мест f (геометрия ААУ ),
mn
ln
nвращ ),
dn
P
2M
вращ вращ
2
n E
вращ Vмок (Vоtg ( ))
Коэффициент сопротивления участка артериол
10
8
местн
i 1...7 (var) ( nm
n
n 1 m 1
ln
),
dn
мест f (геометрия артериол)
mn
Коэффициент сопротивления капилляров
3
128 l jрасч
j 1
gd 4j
ki 1...7 (var)
,
nобщ
0,375
ni
15

16.

ОБЩЕЕ УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ
16

17.

РАСЧЕТНАЯ ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ СХЕМА КОНТУРА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
1 – голова (правое и
левое полушарие),
2 – 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)
17

18.

РАСЧЕТ ПЕРЕПАДОВ ДАВЛЕНИЙ В КОНТУРЕ
W 12
V1 2
P a (var) 1
(var) 1
k (var) 1 Q 1 P в 1 gh 1 P уск 1 Р комп 1 ;
2
2
(1 )
W 22
V2 2
P a (var) 2
(var) 2
k (var) 2 Q 2 P в 2 gh 2 P уск 2 Р комп 2 ; ( 2 )
2
2
W 32
V32
P a (var) 3
(var) 3
k (var) 3 Q 3 P в 3 gh 3 P уск 3 Р комп 3 ; ( 3 )
2
2
W 42
V4 2
P a (var) 4
(var) 4
k (var) 4 Q 4 P в 4 gh 4 P уск 4 Р комп 4 ; ( 4 )
2
2
V52
W 52
P a (var) 5
(var) 5
k (var) 5 Q 5 P в 5 gh 5 P уск 5 Р комп 5 ; ( 5 )
2
2
W 62
V6 2
P a (var) 6
(var) 6
k (var) 6 Q 6 P в 6 gh 6 P уск 6 Р комп 6 ; ( 6 )
2
2
V7 2
W 72
P a (var) 7
(var) 7
k (var) 7 Q 7 P в 7 gh 7 P уск 7 Р комп 7 ; ( 7 )
2
2
18

19.

РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
МЕЖДУ РАСЧЕТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
где:
P Pa Pв gh Pуск Pкомп
19

20. ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ

влияние изменения диаметра капилляров внутренностей
на кровоснабжение головного мозга
20

21. ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ

вклад сопротивления ААУ и артериол
в общее сопротивление контура теплоносителя
21

22. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

мужчины
20
сопротивление, мм.рт.ст.
15
10
%
доля сопротивления ААУ от
источника давления до
расчетных элементов
женщины
5
0
10
лет
ГОЛОВА
20
лет
РУКИ
30
лет
40
лет
50
лет
В-ТУЛОВИЩА
МИОКАРД
10
лет
20
лет
ВНУТРЕННОСТИ
30
лет
40
лет
Н-ТУЛОВИЩА
50
лет
НОГИ
соотношение сопротивления
(верх DP) и энергии (низ DN)
вращательного движения
теплоносителя для различных
углов закрутки теплоносителя
22

23. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

влияние гравитации на
перераспределение теплоносителя
между элементами
влияние внешней работы на
перераспределение
теплоносителя между расчетными
элементами и слоями
23

24. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

1.Обоснована, развита и проверена методика расчета гидравлических характеристик 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».
24

25.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ
«ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»
РАСЧЕТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
25

26. ПРИНЯТЫЕ ДОПУЩЕНИЯ

1.
Диаметр по длине расчетного элемента принят постоянным
2.
Перенос теплоты теплопроводностью в радиальном направлении много больше, чем в
осевом, поэтому:
2T j
j
z
2
0
3.
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 )
4.
Толщина слоя теплоизоляции δСТР << rкап_СТР, поэтому для расчета
теплопроводности в слое можно использовать уравнение теплопроводности для плоской
стенки
5.
Т.к. размеры капилляра очень малы, а их количество в каждом расчетном элементе
очень большое, то зависимостью температурного поля от распределения скоростей
можно пренебречь
6.
В каждый текущий момент времени ∆τ процесс теплообмена с окружающей средой
является стационарным.
7.
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 эффект(t)
26

27.

СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ ТЕПЛООБМЕНА ДЛЯ РАСЧЕТНОГО ЭЛЕМЕНТА
Система уравнений теплопроводности

28.

Граничные и начальные условия

29.

Система уравнений теплопроводности
ci 3 i 3
Ti 3
внутр
q метi 3 qкр
i
- ядро (j = 3)
Ti 2
qтпi 2 qкрмышцы
i
T
СТР
ci1 i1 i1 q радi1 qконвi1 qкр
i1
ci 2 i 2
- мышцы (j = 2)
- подкожный слой
сети капилляров (j = 1)
Уравнения движения
Vi 2
Wi 2
Pa (var)i
(var)i
k (var)ij Gij Pвi ghi Pускi Ркомпi
2
2
Vi 2
Wi 2
kij Gij i
i
Pi 0
2
2
Уравнения связи
ij N
qтп ij
N - объемные тепловыделения среднего слоя
mij тп
ij
qметij
( G O2 qk 1...3 ) - объемные тепловыделения внутреннего слоя
mij
qкр ji
ij
Gкр ij C Pкр (tвхода ij tвыхода ij )
mij
- конвективный перенос тепла теплоносителем

30.

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
ДЛЯ РАСЧЕТНОГО ЭЛЕМЕНТА
Ti 3
внутр
q метi 3 qкр
- ядро (j = 3)
i
T
- мышцы (j = 2)
ci 2 i 2 i 2 qтпi 2 qкрмышцы
i
T
СТР
- подкожный слой сети капилляров (j = 1)
ci1 i1 i1 q радi1 qконвi1 qкр
i1
ci 3 i 3
1. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ
2. РАСЧЕТ СРЕДНЕМАССОВЫХ ТЕМПЕРАТУР СЛОЕВ
3. РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР НА ГРАНИЦАХ СЛОЕВ

31.

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ
31

32.

РАСЧЕТ СРЕДНЕМАССОВЫХ ТЕМПЕРАТУР
32

33.

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР НА ГРАНИЦЕ СЛОЕВ РАСЧЕТНОГО ЭЛЕМЕНТА
33

34.

РАСЧЕТНАЯ СХЕМА ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Расчетная схема системы термостабилизации: а – схема системы 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

35.

ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ
Сравнение результатов расчета времени нахождения в воде с различной
температурой с экспериментальными данными:
TAU_qвнутр – расчетное время остывания при различной мощности
внутренних источников тепла
35

36.

ПРОВЕРКА ДОСТОВЕРНОСТИ
Сравнение результатов расчетов температуры кожи при контакте с
различными охлаждающими средами с результатами модели Баранова А.Ю.
36

37.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Сравнение среднемассовых температур одного расчетного элемента

38.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Оценка температур на границе слоев расчетного элемента

39.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Теплопотери тканей (Qi, Вт) при охлаждении в воде
при температуре tводы = 0 ºС
39

40.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Расчет температур различных тканей при охлаждении в воздушной
и водной 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
40

41. ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ

1. Разработана и предложена методика расчета тепловых процессов 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.
41

42. ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМЕ «ЧЕЛОВЕК – ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА»

1. Исследование 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
2. Анализ термического сопротивления теплоизоляции
– Исследование термического сопротивления оболочки
– Анализ эффективности термического сопротивления внешней
теплоизоляции
3. Исследование влияния мощности внутренних источников
тепла
42

43.

СРАВНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ВОДЕ И ВОЗДУХЕ
теплоотдача в окружающую
среду в воде и в воздухе
для разных расчетных
элементов
вклад составляющих
теплового потока на
примере одного расчетного
элемента (руки)
43

44.

СРАВНЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛООБМЕНА В ВОДЕ И ВОЗДУХЕ
среднемассовые
температуры расчетных
элементов
среднемассовые температуры
«оболочки» элементов
44

45.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ
изменение суммарного
теплового потока
расчетного элемента
в зависимости от
температуры воды
изменение среднемассовой
температуры расчетного элемента
в зависимости от температуры воды
45

46.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ СРЕДЫ
влияние температуры
воздуха на коэффициент
теплоотдачи различных
расчетных элементов
влияние температуры воды на
коэффициент теплоотдачи
расчетных элементов
46

47.

ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ И СКОРОСТИ
а
б
Изменение теплофизических параметров «ядра» расчетного элемента (руки) в
воздушной среде: а – среднемассовой температуры; б – тепловых потерь
47

48.

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ
а
б
Изменение теплофизических параметров «ядра» расчетного элемента (руки) в
48
водной среде: а – среднемассовой температуры; б – тепловых потерь

49.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКИ
«ОБОЛОЧКА» - ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ
АКТИВНАЯ –
ПОДКОЖНЫЕ КАПИЛЛЯРЫ СТС
ПАССИВНАЯ –
ЖИРОВАЯ ПРОСЛОЙКА
49

50.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАССИВНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
НА ПРОЦЕСС ТЕПЛООБМЕНА
влияние толщины слоя пассивной
теплоизоляции (% жира)
на суммарные тепловые потери
расчетного элемента
влияние толщины слоя пассивной
теплоизоляции (% жира)
на среднемассовую температуру
«ядра»
50

51.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАССИВНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
НА ПРОЦЕСС ТЕПЛООБМЕНА
изменение температуры на границах слоев расчетного
элемента с ростом толщины слоя пассивной теплоизоляции
51

52.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
АКТИВНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
эффективный коэффициент
теплопроводности расчетных
элементов в воде и в воздухе
эффект
q кап _ СТР
t кап _ СТР t жир
зависимость эффективного
коэффициента теплопроводности
активного слоя теплоизоляции
расчетного элемента
от мощности внутренних
источников тепла
52

53.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
АКТИВНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
зависимость безразмерной
температуры Θ слоя активной
теплоизоляции расчетного элемента
от мощности внутренних
тепловыделений
t кап _ СТР tокр _ среда
37 tокр _ среда
изменение эффективного коэффициента
теплопроводности активного слоя
теплоизоляции (LA) в зависимости от
температуры окружающей среды
53

54.

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ВНЕШНЕЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
54

55.

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ВНЕШНЕЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
Величины изоляции различного вида одежды [131]
Виды одежды
Единицы измерения, clo
Ботинки и носки
Шорты и жилет
Легкое платье без рукавов, х/б нижнее
белье
Тропическая одежда: шорты, рубашка
с короткими рукавами, носки и
сандалии
Легкие брюки, рубашка с коротким
рукавом
Толстые длинные платья, комбинация
во всю длину
Легкие брюки, рубашка с длинным
рукавом, тонкий свитер
Легкие брюки, рубашка с длинным
рукавом, нижнее белье
Тяжелый,
традиционный,
европейский,
деловой
костюм,
рубашка, нижнее белье
Тяжелый шерстяной полярный костюм
Костюм из меха рыси
Костюм из рыжей лисицы
Арктический спальный мешок
0.07
0.1
0.2
0.3-0.4
0.5
0.7
0.8
1.0
1.5
3.5
5.2
7.8
до 12
1 clo = 0,21 м2 ·град/Вт
55

56.

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ВНЕШНЕЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
зависимость среднемассовой
температуры ядра расчетного
элемента от термического
сопротивления внешней
теплоизоляции
изменение среднемассовых
температур «ядра» расчетных
элементов в зависимости от
значений термического
сопротивления внешней
теплоизоляции
56

57.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОЩНОСТИ ВНУТРЕННИХ
ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА
влияние мощности внутренних
источников тепла на тепловые
потери руки
влияние мощности внутренних
источников тепла на
температуры на границах слоев
расчетного элемента
57

58.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МОЩНОСТИ ВНУТРЕННИХ
ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА
температуры на границах слоев
расчетных элементов в зависимости
от характера мощности внутренних
источников тепла
зависимость среднемассовых
температур слоев расчетных
элементов от характера изменения
мощности внутренних источников
тепла
58

59.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
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 сопротивлений
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 %.
59

60.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
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.
60

61.

РАБОТА ОТМЕЧЕНА
Медаль Министерства образования и науки «За лучшую научную
работу» по итогам 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: № 05-0833588, РФФИ № 09-08-00321-а, а также фонда фундаментальных НИР
НГТУ в 2009 году
61

62.

63.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ КС
МОК exp(a) M
КАПИЛЛЯРЫ
L exp(a) M b
b
D exp(a) M b
n exp(a) M b
АРТЕРИОЛЛЫ
АРТЕРИИ
d var 10...25 мкм
l / d 50...200
var 0.5...10
63

64.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА
ВЕСОВЫЕ ДОЛИ ТКАНЕЙ
весовые доли тканей
0,3
мужчины
женщины
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
20
30
голова
внутр
40
50
руки
низ, тул
10
20
30
возраст
верх, тул
ноги
40
40
0,4
ДОЛИ ПЛОЩАДЕЙ
0,35
миокард
легкие
доли площадей
10
0,3
мужчины
0,25
женщины
0,2
0,15
0,1
0,05
0
10
0,35
ДОЛИ МОК НА ТКАНИ
0,3
мужчины
доли МОК
0,25
20
голова
внутр
женщины
30
40
50
руки
низ, тул
10
возраст
20
верх, тул
ноги
30
40
миокард
легкие
0,2
0,15
0,1
0,05
0
10
20
30
40
50
10
20
30
40
50
возраст
голова
руки
верх, тул
миокард
внутр
низ, тул
ноги
64
50

65.

65

66.

66

67.

ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
вклад компонент
теплового потока
в суммарные потери тепла
для мышцы руки
сравнение конвективной
составляющей
теплового потока
для каждой ткани
67

68.

СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ
С УЧЕТОМ ГЕМОДИНАМИЧЕСКОГО МЕХАНИЗМА
68

69.

ВЛИЯНИЕ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ
сила тяжести
ткани
сила тяжести
ткани
ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
НА ЛЮДЕЙ С РАЗНЫМ ТИПОМ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ
Земля
физ. нагрузка
гиподинамия
ткани
невесомость
физ. нагрузка
гиподинамия
ткани
69

70.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ И ВИДА ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
МОК ГОЛОВЫ
70