Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет
 |
Кафедра криогенной техники
МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ОБОЛОЧКИ ТЕЛА ЖИДКИМ ИЛИ
ГАЗООБРАЗНЫМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕМ
Методические указания к лабораторным работам по курсу
«Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов
специальности 140401 очной и заочной форм обучения
Санкт-Петербург
2009
УДК 621.59/09/
Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю. Моделирование нестационарного теплообмена при охлаждении оболочки тела жидким или газообразным теплоносителем. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Криогенные технологии в медицине и биологии» для студентов специальности 140401 очной и заочной форм обучения. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009г. – 27 с.
В работе изложена методика проведения численного эксперимента по сравнению нестационарной передачи теплоты в оболочке человеческого тела в условиях конвективного охлаждения. Изложен порядок формирования алгоритма вычислений и обработки результатов.
Рецензент
Доктор технических наук, профессор Рыков В.А.
Одобрены к изданию методическим Советом факультета криогенной техники и кондиционирования.
|
© |
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2009 |
© Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Сидорова А.Ю., 2009
ВВЕДЕНИЕ
Конвективное охлаждение поверхности тела человека используется в физиотерапевтических отделениях для решения лечебных задач. По способу отвода теплоты можно выделить два варианта охлаждения: гипотермию и криотерапию [4].
Гипотермия используется для тренировки системы терморегуляции (закаливания) и для отвода избыточного количества теплоты при некоторых заболеваниях. С физической точки зрения гипотермия сводится к охлаждению тела посредством воды с температурой от 0 до 12 ºС. Благодаря высокой эффективности теплопередачи отвод теплоты с поверхности объекта охлаждения значительно превосходит номинальную физиологическую теплопродукцию (100 Вт/м2). Снижение периферийной и средней температуры тела обеспечивает замедление обменных процессов.
Криотерапия основана на охлаждении поверхности тела криогенным газом. Температура газа выбирается в интервале 130–140 К, время охлаждения не превышает 180 с. Применение криотерапии обеспечивает лечение ряда тяжелых заболеваний [4].
Сходство процессов в криогенных системах и гипотермических устройствах и неполное преставление о физических отличиях газовой и жидкостной конвекции являются причиной того, что четкой границы между ними не проводится.
Необходимо экспериментально установить различия процессов охлаждения в гипотермических и криотерапевтических системах.
ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Целью работы является исследование нестационарной передачи теплоты в поверхностных слоях человеческого тела, определение изменения температуры покровных слоев, мгновенных и интегральных значений тепловых потоков, анализ амплитуды изменения температуры поверхности и внутренних слоев объекта.
ВЫБОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ
Объектом конвективного охлаждения при гипотермии и криотерапии является поверхность человеческого тела, поэтому для исследований нельзя использовать физический эксперимент. Численный эксперимент по исследованию процесса охлаждения позволяет снять целый круг практических проблем. При этом объем информации о ходе и результатах процесса может многократно превосходить результаты физических исследований. Математический аппарат для проведения подобных экспериментов разработан на кафедре криогенной техники и прошел всестороннюю практическую апробацию.
1. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА ОХЛАЖДЕНИЯ
Физическая модель объекта − это упрощенный аналог, для построения которого использована система допущений. Сложные структуры заменяются элементами, пригодными для последующего аналитического описания. Чем сложнее объект, тем большее количество допущений необходимо для того, чтобы его физическая модель стала применима для математического моделирования. Учитывая специфику применения конвективного охлаждения поверхности тела, приняты ограничения.
Область распространения температурных изменений ограничена пределами оболочки тела. Нарушения теплового равновесия ядра тела недопустимы. Применительно к исследуемому процессу оболочка характеризуется следующим образом:
– представляет собой трехслойную структуру, эпителий, жировая ткань и мышцы;
– теплотворная способность эпителия и мышечной ткани равномерно распределена по объему;
– жировая ткань не имеет внутренних источников теплоты.
Объект охлаждения рассматривается как полуограниченное тело, пассивная граница которого отдалена от наружной поверхности [1].
Масса тканей оболочки составляет до 30% от веса тела – Мо ≈ 24 кг, площадь оболочки – fо ≈ 1,6 м², толщина покровных тканей составляет δо = 0,015 м. Эффективный диаметр тела D2*= 17δо = 0,255 м, поэтому введенный филологом Павловым И.А. термин «оболочка» необычайно наглядно характеризует физическое назначение покровных тканей.
Представление оболочки в виде полуограниченного тела иллюстрируется схемой, представленной на рис.1.
Средняя толщина слоев: эпителий – δэ = 2 мм, жировой слой – δж = 10 мм, мышечная ткань – δм > 3 мм. Пассивная граница удалена от наружной поверхности на 50 мм. Теплофизические свойства слоев при нормальных условиях приведены в табл. 1 [7].
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.