تحقیق علمی دانشگاه –155- تحقیق علمی

دانشکده مهندسی مکانیک
پایان نامه دوره کارشناسی ارشد گرایش تبدیل انرژی
طراحی و بهینه سازی -ونتیلاسیون و سرمایش- یک لباس محافظ با حل معکوس به روش Adjoint
نگارش:
هادی شرقی
استاتید راهنما:
دکتر مسعودضیا بشرحق دکتر محمدرضا شاه نظری
زمستان 1393

* mergeformat
تاسیس 1307
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
تاییدیه هیأت داوران
هیأت داوران پس از مطالعه پایان‌نامه و شرکت در جلسه دفاع از پایان‌نامه تهیه شده تحت عنوان :
طراحی و بهینه سازی (ونتیلاسیون و سرمایش) یک لباس محافظ با حل معکوس به روش Adjoint
توسط هادی شرقی صحت و کفایت تحقیق انجام شده را برای اخذ درجه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک – تبدیل انرژی در تاریخ مورد تأیید قرار دادند.
1- استاد راهنما دکتر مسعود ضیا بشر حق امضاء
2- استاد مشاور دکتر محمدرضا شاه نظری امضاء
3- استاد ممتحن دکتر مجید بازارگان امضاء
4- استاد ممتحن دکتر صادق صدیقی امضاء
5- نماینده تحصیلات تکمیلی دکتر مجید بازارگان امضاء
* mergeformat
تاسیس 1307
دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
اظهارنامه دانشجو
اینجانب هادی شرقی دانشجوی کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی گواهی می‌نمایم که تحقیقات ارائه شده در پایان‌نامه با عنوان:
طراحی و بهینه سازی (ونتیلاسیون و سرمایش) یک لباس محافظ با حل معکوس به روش Adjoint
با راهنمایی اساتید محترم جناب آقای دکتر مسعود ضیا بشر حق و دکتر محمدرضا شاه نظری توسط شخص اینجانب انجام شده است. صحت و اصالت مطالب نگارش شده در این پایان‌نامه مورد تأیید می‌باشد. در مورد استفاده از کار دیگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. به علاوه گواهی می‌نمایم که مطالب مندرج در پایاننامه تاکنون برای دریافت هیچ نوع مدرک یا امتیازی توسط اینجانب یا فرد دیگری در هیچ جا ارائه نشده است و در تدوین متن پایان‌نامه چارچوب (فرمت) مصوب دانشگاه را به طور کامل رعایت کرده‌ام.
امضاء دانشجو:
تاریخ:
حق طبع، نشر و مالکیت نتایج
1- حق چاپ و تکثیر این پایان‌نامه متعلق به نویسنده و استاد/استادان راهنمای آن می‌باشد. هرگونه تصویربرداری از کل یا بخشی از پایاننامه تنها با موافقت نویسنده یا استاد/استادان راهنما یا کتابخانه دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی مجاز می‌باشد.
2- کلیه حقوق معنوی این اثر متعلق به دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی می‌باشد و بدون اجازه کتبی دانشگاه به شخص ثالث قابل واگذاری نیست.
3- استفاده از اطلاعات و نتایج موجود پایان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمی‌باشد.
تشکر و قدردانی
لازم میدانم از زحمات و راهنماییهای جناب دکتر مسعود ضیابشرحق و جناب دکتر محمدرضا شاه نظری تشکر و قدردانی نمایم که با صبر و حوصله پاسخگوی اینجانب بودهاند.
از پدر و مادرم کمال تشکر را دارم که قطعا بدون راهنمایی آنها پیمودن کوره راههای زندگی قطعا محال مینمود.
چکیده
در پایان نامه حاضر با استفاده از روش الحاقی (Adjoint) میزان گرمای خروجی از پوست در شرایطی که پوست تحت محافظت لباس محافظ چند لایه بوده و هوا امکان جریان یافتن در فاصله بین پوست و لباس محافظ را داشته باشد، بهینه سازی شده است.
دستگاه معادلات حاکم بر سیستم با اعمال شرایط مرزی مناسب در مدل ریاضی برای پوست و هوای در حال جریان با استفاده از روش WRM و رویه کالوکیشن تشکیل شده و برای حل معادلات جبری غیر خطی حاصل از اعمال روش الحاقی از روش بازگشتی نیوتن استفاده شده است. شرایط مختلفی که سیستم تهویه لباس محافظ توانایی تامین آن را دارد در طی پژوهش تحت بررسی قرار گرفته است برای دماهای ورودی 20 تا 24 درجه سیلسیوس و اعداد بژان Be=2×107 تا Be=8×107 پاسخ سیستم استخراج شد. فاصله بهینه پوست از لباس H2 ، تغییرات دمای خروجی Tair,out و میزان دبی مورد نیاز Vair در فضای بین پوست و لباس با تغییرات اعداد بژان و میزان پرفیوژن خون سنجیده شد. با دقت در نتایج بدست آمده میتوان کارائی این روش را در محاسبه میزان مقادیر بهینه مورد نیاز برای تامین آسایش حرارتی پوست مورد تایید قرار داد. در کل با اعمال اختلاف فشارهای بالاتر بین ورودی و خروجی و به تناسب ایجاد دبی بالاتر، استفاده از کمترین دما ورودی برای سیستم تهویه مطبوع میتوان بهینه ترین حالت را با کمترین میزان فاصله لباس از پوست به دست آورد اما بایستی محدودیتهای شرایط آسایش حرارتی و سیستم تهویه لباس محافظ را نیز در نظر گرفت.
کلمات کلیدی:
تهویه لباسهای محافظ، بهینه سازی، روش WRM ، روش الحاقی
فهرست مطالب
عنوانصفحه
TOC o "1-4" h z u فهرست جدول‌ها PAGEREF _Toc411318547 h ‌جفهرست شکل‌‌ها PAGEREF _Toc411318548 h ‌دفصل 1-مقدمه و تاریخچه PAGEREF _Toc411318549 h 61-1-مقدمه PAGEREF _Toc411318550 h 71-2-تاریخچه مدلهای حرارتی انسان PAGEREF _Toc411318551 h 91-3-لباسهای محافظ PAGEREF _Toc411318552 h 161-4-هدف پروژه PAGEREF _Toc411318553 h 19فصل 2-مروری بر پژوهش‏های انجام شده PAGEREF _Toc411318554 h 202-1-مقدمه PAGEREF _Toc411318555 h 212-2-تحقیقات انجام یافته در زمینه مدل سازی حرارتی انسان PAGEREF _Toc411318556 h 212-2-1-انتقال حرارت زیستی در چشم انسان PAGEREF _Toc411318557 h 222-3-مدل های حرارتی برای بافتها همراه با جریان خون PAGEREF _Toc411318558 h 232-3-1-مدل انتقال حرارت پنس PAGEREF _Toc411318559 h 232-3-2-مدل پیوسته ولف: PAGEREF _Toc411318560 h 252-3-3-مدل پیوستگی کلینگر PAGEREF _Toc411318561 h 262-3-4-معادله پیوستگی چن و هولمز PAGEREF _Toc411318562 h 262-3-5-مدل وین بام جی جی و معادله انتقال حرارت زیستی لمونز PAGEREF _Toc411318563 h 292-3-6-مدل وین بام جی جی PAGEREF _Toc411318564 h 312-4-مدلهای ریاضی انتقال حرارت زیستی با استفاده از تئوری محیط متخلخل PAGEREF _Toc411318565 h 322-4-1-معادلات انرژی PAGEREF _Toc411318566 h 322-5-مطالعات انجام شده در مورد آسایش حرارتی PAGEREF _Toc411318567 h 382-5-1-مقیاسهای آسایش حرارتی PAGEREF _Toc411318568 h 392-6-تعادل حرارتی PAGEREF _Toc411318569 h 442-6-1-متابولیسم PAGEREF _Toc411318570 h 482-6-2-پرفیوژن خون PAGEREF _Toc411318571 h 482-6-3-اندازهگیری میزان جریان خون PAGEREF _Toc411318572 h 492-6-4-گشاد شدگی رگ ها متاثر از پارامترهای حرارتی PAGEREF _Toc411318573 h 502-6-4-1-گشاد شدگی رگ فعال: اثرات ورزش و تحرک PAGEREF _Toc411318574 h 512-7-تهویه لباسهای محافظ PAGEREF _Toc411318575 h 542-8-مطالعات اخیر PAGEREF _Toc411318576 h 582-8-1-استفاده از مانکن های حرارتی PAGEREF _Toc411318577 h 60فصل 3-روش حل و بهینه سازی با استفاده از متد الحاقی PAGEREF _Toc411318578 h 643-1-1-روش بهینه سازی PAGEREF _Toc411318579 h 653-1-1-1-روشهای گرادیانی PAGEREF _Toc411318580 h 653-1-1-2-روشهای غیرگرادیانی PAGEREF _Toc411318581 h 663-1-2-مفهوم روش معادلات الحاقی و اهمیت آن PAGEREF _Toc411318582 h 673-2-تاریخچه روش معادلات الحاقی PAGEREF _Toc411318583 h 703-3-آشنایی با روش معادلات الحاقی PAGEREF _Toc411318584 h 713-4-توصیف نمادین روش معادلات الحاقی PAGEREF _Toc411318585 h 723-4-1-حل برای معادلات خطی PAGEREF _Toc411318586 h 733-4-2-معادلات غیر خطی PAGEREF _Toc411318587 h 753-5-روش الحاقی گسسته و پیوسته PAGEREF _Toc411318588 h 763-6-یک مثال از الحاقی پیوسته PAGEREF _Toc411318589 h 783-7-ارائه رویه بهینه سازی مورد نظر PAGEREF _Toc411318590 h 81فصل 4-هندسه مسئله و نتایج حل PAGEREF _Toc411318591 h 844-1- معادلات به دست آمده از اعمال روش الحاقی و حل آنها PAGEREF _Toc411318592 h 854-1-نتیجه گیری PAGEREF _Toc411318593 h 1074-2-پیشنهادات برای کارهای آینده PAGEREF _Toc411318594 h 108ضمیمه ‌أ -پیوست PAGEREF _Toc411318595 h 109فهرست مراجع PAGEREF _Toc411318596 h 121
فهرست جدول‌هاعنوانصفحه
TOC h z c "جدول" جدول ‏21: خلاصه ای از مدلهای حرارتی پوست انسان PAGEREF _Toc411318541 h 35جدول ‏22: خلاصه ای از کارهای انجام شده PAGEREF _Toc411318542 h 36جدول ‏23: استاندارد ISO برای تعیین آسایش حرارتی PAGEREF _Toc411318543 h 40جدول ‏24: تعادل حرارتی در برخی از اندامها PAGEREF _Toc411318544 h 47جدول ‏41: پارامترهای فیزیکی پیشنهاد شده برای شرایط پوست و خون PAGEREF _Toc411318545 h 92جدول ‏42: شرایط استفاده شده برای تحلیل نرم افزاری PAGEREF _Toc411318546 h 98
فهرست شکل‌‌هاعنوانصفحه
TOC h z c "شکل" شکل ‏11: لایه های پوستی در مدلهای حرارتی کنونی [10] PAGEREF _Toc411318514 h 10شکل ‏12: مدل مورد استفاده برای هایپرترمی PAGEREF _Toc411318515 h 11شکل ‏13: مدل حرارتی بر پایه تعاملات حرارتی با محیط [11] PAGEREF _Toc411318516 h 15شکل ‏14: نمونهای از لباسهای محافظ PAGEREF _Toc411318517 h 17شکل ‏21: نتایج توزیع دمای بدست آمده توسط پنس برای ساعد [1] PAGEREF _Toc411318518 h 24شکل ‏22: مدل پیشنهادی در مطالعات وفایی و همکاران PAGEREF _Toc411318519 h 35شکل ‏23: مقایسه نتایج بدست آمده از مطالعات اسمولندر و تیلور PAGEREF _Toc411318520 h 52شکل ‏24:رابطه بین نرخ متابولیک و میزان تعریق در طی زمان PAGEREF _Toc411318521 h 59شکل ‏25: پیش بینی توزیع دما با استفاده از حل CFD در بازههای زمانی 36(تعادل) 42-49 (راه رفتن) 51-61-68(کار کردن) و 75-82 (سرمایش) PAGEREF _Toc411318522 h 60شکل ‏26: پاسخ مانکن حرارتی تحت شرایط بدون تعرق که پس از مدتی تحت شار تابشی قرار میگیرد [100] PAGEREF _Toc411318523 h 61شکل ‏27: تاثیر تنش های حرارتی بر روی دمای پوست در صورت حذف سیستم خنک کاری [100] PAGEREF _Toc411318524 h 62شکل ‏28: تاثیرات سیستم خنک کاری بر روی مانکن ADAM پس از 3 دقیقه استفاده از سیستم خنک کاری(تصویر مادون قرمز) [99] PAGEREF _Toc411318525 h 62شکل ‏29: نتایج شبیه سازی بدست آمده توسط کرایتزف برای توزیع دما روی پوست در گام های زمانی مختلف PAGEREF _Toc411318526 h 63شکل ‏31: دو روش برای تولید معادلات الحاقی گسسته PAGEREF _Toc411318527 h 77شکل ‏41: مدل عمومی لباسهای محافظ PAGEREF _Toc411318528 h 85شکل ‏42: شکل شماتیک ریاضی مساله PAGEREF _Toc411318529 h 86شکل ‏43: مدل ریاضی با اعمال شرایط همگن سازی PAGEREF _Toc411318530 h 89شکل ‏44: هندسه تحلیل شده با نرم افزار فلوئنت PAGEREF _Toc411318531 h 98شکل ‏45:نتایج حاصل برای شبیه سازی دما PAGEREF _Toc411318532 h 98شکل ‏46: مقایسه نتایج حاصل از حل تحلیلی و حل نرم افزاری PAGEREF _Toc411318533 h 99شکل ‏47: تغییرات دمای هوای خروجی با تغییرات فاصله پوست و عدد بژان PAGEREF _Toc411318534 h 100شکل ‏48: تغییرات دمای هوای خروجی با تغییرات میزان فاصله پوست از لباس PAGEREF _Toc411318535 h 101شکل ‏49: دبی مورد نیاز برای تغییرات دمایی نشان داده شده در شکل 4-7 PAGEREF _Toc411318536 h 102شکل ‏410: میزان دبی مورد نیاز بر اساس تغییرات عدد بژان شکل 4-5 PAGEREF _Toc411318537 h 103شکل ‏411: اعداد بژان مورد نیاز برای ایجاد اختلاف دما مابین ورودی و خروجی برای پرفیوژن W=1.2 Kgm3.s PAGEREF _Toc411318538 h 104شکل ‏412: اعداد بژان مورد نیاز برای ایجاد اختلاف دما مابین ورودی و خروجی برای پرفیوژن W=1.5 Kgm3.s PAGEREF _Toc411318539 h 105شکل ‏413: اعداد بژان مورد نیاز برای ایجاد اختلاف دما دلخواه مابین ورودی و خروجی برای پرفیوژن W=1.8 Kgm3.s PAGEREF _Toc411318540 h 106
مقدمه و تاریخچهمقدمهاگر دمای هوا بیش از حد گرم باشد، انسان احساس خستگی میکند، در حالی که اگر بسیار سرد باشد افراد در تمرکز دچار مشکل میشوند، براحتی مضطرب و پریشان میشوند. رطوبت نسبی اندک باعث خشک شدن غشا مخاطی شده و منجر به مشکلات تنفسی میشود، رطوبت نسبی بالا باعث میشود هوا حالت خفه کنندگی داشته باشد و رطوبت نسبی بیش از حد منجر به رشد باکتریها و کپک شده و تهدیدی برای سلامتی محسوب میشود. حرکت هوا در محیط مطلوب است، البته تا زمانی که حرکت هوا به قدری سریع نباشد که به عنوان عاملی برای حواس پرتی مطرح شود. همه این عوامل دست به دست هم میدهند تا عامل مهمی به نام آسایش حرارتی در زندگی انسان نقش بهسزایی داشته باشد.
برای اینکه انسان بتواند کار انجام دهد بایستی دمای بدن ثابتی در حدود 37 درجه سیلسیوس داشته باشد. بدن بصورت طبیعی دمای خود را تنظیم میکند اما زمانی که نتواند این کار را انجام دهد شرایط بحرانی میشود، مخصوصا زمانی که فرد عادت به این شرایط نداشته باشد. تنشهای حرارتی زمانی بصورت جدی مطرح میشوند که پاسخ طبیعی بدن به گرما مانند عرق کردن بیش از حد گردد و زمانی پدید میآید که دمای هسته بدن به بالای حالت عادی برسد. تنش حرارتی میتواند ناشی از تحرکات بدنی و ماهیچهای و یا ناشی از شرایط دمایی محیط باشد.
عبارت مدل حرارتی برای انسان را می توان به شیوههای مختلفی تفسیر کرد. گستره تعریف شامل هرگونه ارتباطی مابین یک یا چند دمای بدن، متغیرهای محیطی و نیز سوخت و ساز بدن، دمای محیط، رطوبت و شدت انجام ورزش است. الگوریتمهای تحت بررسی اغلب یک تعریف جامع از ارزیابی و محاسبه آسایش حرارتی تحت شرایط مختلف است. چنین مدلهایی معمولا از هندسه و ترکیبات بدن انسان صرفنظر کرده و به شیوهای کاملا تجربی در مورد متغیرهای فیزیولوژیکی مانند جریان خون پوست، لرز و عرق کردن بحث میکنند. در تعاریف جزئیتر می توان مدل حرارتی انسان را استفاده از حداقل ترمها در محاسبه میدان دمائی مدل برای نمایش منطقی فرم انسان و عوامل فیزیولوژیکی مربوطه بیان کرد CITATION HHP48 l 1065 [1]. در این قسمت اشارهای خلاصه و در مواردی جامع به مدلهایی خواهیم داشت که تاکنون ارائه شدهاند، اما تمرکز اصلی بر مدلهایی خواهد بود که با دقت بیشتری تعریف شده باشند. مزیت مدلهای مختلف ریاضی به عوامل بسیاری بستگی دارد که مهمترین آنها دقت و کامل بودن معادلات اساسی بکار رفته در آنها است. در حالی که دقت و سرعت روشهای محاسباتی استفاده شده برای بدست آوردن مقادیر عددی کمیتهای مختلف مهم است، ظرافتهای محاسباتی را نمیتوان پوششی برای کاستیهای مدل اساسی معیوب قرار داد. با چند مورد استثنا CITATION JAJ70 l 1065 m PAG70 m KKK77 [2, 3, 4]، مدلهای حرارتی انسان توسط محققانی توسعه داده شده است که احتمالا دانش آنها در زمینه فیزیولوژی انسان محدود به نظر میرسیده است. در این قسمت به بررسی فیزیولوژیکی پدیدههایی خواهیم پرداخت که برای تنظیم توزیع حرارتی دمای بدن انسان مهم هستند. مدلهای حرارتی انسان در خدمت چند هدف مهم هستند، که شاید مهمترین هدف ترکیب پدیدههای فیزیکی و فیزیولوژیکی گوناگون در داخل بدن برای تنظیم حرارت بدن انسان باشد. مشکلات اجرای این عمل توسط استولویک و هاردلی CITATION JAJ66 l 1033 [5] بیان شد. آنها در توصیف مدل حرارتی خود بیان کردند که می توان استدلال کرد هیچ مدل فیزیولوژیکی مانند سیستمهای تنظیم دما بطور کامل نمیتوانند تمامی دادههای فیزیولوژیکی حرارتی و غیر حرارتی را برای حل مدل حرارتی بکار برند. در حالی که این مشکل اساسی را به عنوان پایه در مطالعه سیستمهای فیزیولوژیکی قبول داریم بطور کلی، تحلیلهای جداگانه در هر یک از زیر مجموعههای سیستم و اجزا در هر مورد ضروری است و بنابرین در این مطالعه نیز به این موارد توجه شده است.
یک مثال مهم از تعامل بین سیستمها اثرات ایجاد شده در میزان جریان خون در اثر ورزش و تحرکات بدنی است که در برخی مطالعات بعدی به آن اشاره شده است. از اهداف دیگر مدلهای حرارتی پیش بینی رفتار انسان در شرایطی است که تهدیدی برای سلامتی محسوب میشوند. بطور مثال زمان بقا در اثر غوطه ور شدن تصادفی در داخل آب سرد یک عامل حیاتی در مدیریت جستجو و ماموریتهای امداد و نجات است، هر دو زمان یعنی پاسخ زمانی مورد نیاز برای یک نتیجه موفق در جستجو و حداکثر زمانی که جستجو بایستی ادامه داشته باشد برای ما مهم هستند. مطالعات آزمایشگاهی بر روی نمونههای انسانی اطلاعات مفیدی در مورد نرخ خنک شدن اولیه، زمانیکه نمونه در داخل آب سرد غوطه ور میشود به دست میدهد اما این مطالعات هیچگاه تا زمانی که تهدیدی برای سلامتی باشند ادامه نیافته است و بنابرین پیش بینی زمان بقا نیاز به برون یابی دادههای بدست آمده دارد. برای این منظور یک مدل حرارتی مناسب میتواند بسیار مفید واقع شود.
راهکار دیگر استفاده از دادههای جمع آوری شده با استفاده از مانکنهای حرارتی و شبیه سازی آن با پاسخ عملکرد انسانی است. به عنوان مثال، لباس محافظ پوشیده شده توسط پرسنل نظامی و یا لباسهای محافظ همواره تنشهای حرارتی غیرقابل تحملی را روی فردی که لباس را بر تن دارد تحمیل میکنند. بنابرین بهجای تست هر لباس بر روی 10 نفر تحت شرایط مختلف بهتر است اثرات مختلف پوشش را بر روی مانکن امتحان نموده و رفتار انسان را تحت همان شرایط محیطی پیش بینی نمود.
تاریخچه مدلهای حرارتی انسان
قبل از اینکه به کاوش جزئیات، تدوین و فرمولاسیون مدلهای حرارتی انسان بپردازیم بهتر است ابتدا سابقه مدلهای مختلف را بررسی نمائیم. دو مورد از مدلهای ابتدایی با اصلاحاتی همچنان برای کسانیکه نگران آسایش حرارتی در شرایط پر تنش باشند استفاده میشود. احتمالا اولین مدل توسط ای. سی. بورتون CITATION ACB l 1065 [6] در سال 1934 معرفی شد. مدل بسیار ساده ارئه شده متشکل از یک استوانه همگن با تولید حرارت یکنواخت در سراسر آن بود. مشخص شد که پروفیل دمائی بدست آمده سهموی بوده و با دادههای تجربی مشاهده شده توسط بازت و مک گلون همخوانی کامل دارد CITATION HCB27 l 1065 [7]. متعاقبا بورتون و بازت CITATION ACB36 l 1033 [8] از حل انتقال حرارت هدایتی گذرا برای همان سیستم برای تطابق با دادههای بدست آمده ازحمام کالریمتر خود استفاده کردند.
از آنجائیکه مطالعات تجربی همواره بصورت دو دمای مرکزی و دمای میانگین پوست گزارش میشدند، این امر طبیعتا منجر به این شده که مدلهای دو گرهای توسعه یابند. ماکله و هاتچ CITATION WMa47 l 1033 [9]در مطالعات سال 1947 مدل هسته و پوسته را توسعه دادند که مطالعات آنها در طی جنگ جهانی دوم در آزمایشگاه بیمارستان فورت ناکس کنتاکی و آزمایشگاه نفوذ دانشگاه ییل صورت پذیرفت. کاربرد این مدل احتمالا زیاد مفید نخواهد بود چرا که در این مدل انتقال حرارت مابین هسته و پوسته نادیده گرفته شده است و به جای آن یک رابطه خطی بین این دو فرض شده است. یکی از مطالعات تاثیر گذار و برتر در توسعه مدلهای حرارتی انسان توسط پنس و در سال 1948 و با انتشار مقاله او در مورد اثرات جریان خون بر دمای بافت اتفاق افتاده است. پنس این مفهوم را که انتقال حرارت مابین خون در رگهای کوچک و بافتهای مجاور متناسب با میزان پرفیوژن خون و اختلاف دمای بین بافت و خون است را مورد توجه قرار داد. اگرچه پروفیلهای دمایی محاسبه شده برای ساعد توسط پنس تفاوتهای اندکی با نقاط تجربی بدست آمده بواسطه سنجش دما توسط ترموکوپل داشتند با این حال تفاوتهای حاصله به دادههای جمع آوری شده از ساعدها با اندازههای مختلف ربط داده شد CITATION HHP48 l 1033 [1].

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 1: لایه های پوستی در مدلهای حرارتی کنونی CITATION Xin06 l 1033 [10]اکثر مدلهای دقیق فعلی معادلات پنس را، که با عنوان معادله انتقال حرارت زیستی نیز شناخته میشود به عنوان مدل پایه برای توصیف انتقال حرارت در داخل بافت با جریان خون قرار میدهند. آنچه در مدل پنس بطور ضمنی اشاره شده این است که هیچ انتقال حرارتی مابین خون در شریانها و رگهای متصل به مویرگهای خونی و بافت اطراف رخ نمیدهد. بژان و همکاران بیشتر از این مدل حرارتی برای کارهای خود بهره بردهاند شکل (‏11).
مدل های حرارتی همانند شکل 1-2 بیشتر بصورت معادلات کامل REF _Ref410834398 h * MERGEFORMAT (‏11)مطالعه می شوند و معمولا برای تحلیل هایپرترمی و حل عددی معادلات انتقال حرارت زیستی کاربرد دارند.

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 2: مدل مورد استفاده برای هایپرترمی [10]
سه لایه پوستی با خواص فیزیکی مختلف در تحلیل های کنونی استفاده شده اند CITATION Xin06 l 1065 [10] این مدل با استفاده از روش های عددی مختلف از جمله المان محدود و با استفاده از معادلات زیر تحلیل شده است.
ρscs∂θs∂t=kt∂2θs∂x2+kt∂2θs∂y2+kt∂2θs∂z2+ωρbcbθa-θs+Qr ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 1)برای رگ ها در سه لایه پوستی خون جریان یافته در این لایه ها با معادلات زیر توصیف شده اند.
CBυF1∂θb1∂z-αP1θout1-θb1=0 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 2)
CBυF2∂θb2∂z-αP2θout2-θb2=0 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 3)
CBυF3∂θb3∂z-αP3θout3-θb3-pCBF3θb3=0 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 4)
برای شار عبوری از این لایه های پوستی معادلات REF _Ref410834456 h * MERGEFORMAT (‏15) تا REF _Ref410834460 h * MERGEFORMAT (‏17) استفاده میشوند.
Qr1=α1e-α1z12πσ2e-x-x0(t)2+y-y0(t)2/2σ2P01-Reff1 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 5)Qr2=α2e-α1L1-α2z12πσ2e-x-x0(t)2+y-y0(t)2/2σ2P01-Reff2 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 6)Qr3=α3e-α1L1-α2L1-α3z12πσ2e-x-x0(t)2+y-y0(t)2/2σ2P01-Reff3 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 7)که در معادلات بالا Qr شار ناشی از لیزر، α ضریب جذب لایه پوست، Reff ضریب بازتاب لایه پوست می باشد.P محیط رگ در لایه مورد نظر و υF3 دبی جرمی خون در آن لایه است. در معادلات Qs با عنوان تولید حرارت متابولیکی در نظر گرفته نمیشود، در هایپرترمی تمرکز حرارت در هندسه ای به این کوچکی در حدود5000 وات بر متر مربع میگردد و این ترم با عنوان حرارت ناشی از تمرکز لیزر بر روی بافت مطرح میشود که برای نمونه می توان با استفاده از معادلات ارایه شده REF _Ref410834456 h (‏15) و REF _Ref411003404 h (‏16) و REF _Ref410834460 h (‏17) از آنها نام برد. هنگامی که متابولیسم در معادلات مد نظر قرار گیرد از تبدیلات REF _Ref410834800 h (‏19) و REF _Ref411444822 h (‏111) استفاده میشود.
ρcp∂Tt∂t=kt∂∂r(r∂Tt∂r)+ωρbcbTa0-Tt+Qmet'' ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 8)
همچنین ترم متابولیسم در معادله بیوحرارتی بصورت یک منبع توزیعی قراردارد.
Qmet''=qm''Q10T0-T10 ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 9)که در رابطه REF _Ref410834800 h (‏19) ترم اول از سمت راست مقدار متابولیسم در پستانداران در دمای 37 درجه سانتی گراد است. Q10 یک ضریب وابستگی دما است که مقدار آن بین 2 الی 3 قرار دارد، دما بر حسب سانتی گراد بوده و مقدار T0 برابر با 37 درجه سانتی گراد در نظر گرفته میشود.
∇.kt∇.Tt+ωρbcbTa0-Tt+Qmet''=ρcp∂Tt∂t ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 10)
Tt-Ta0=Ueωρbcbρcpt ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 11)با جایگذاری در تبدیل فوق معادلات بیوحرارتی تبدیل به معادلات زیر میشوند.
∇.kt∇.U+Qmet''eωρbcbρcpt=ρcp∂U∂t ( STYLEREF 1 s ‏1 SEQ معادله * ARABIC s 1 12)چون نرخ پرفیوژن به صورت مستقیم قابل اندازه گیری نبود پنس در معادلات این پارامتر را طوری تغییر داد که نتایج آزمایشگاهی برای برای مقادیر ثابت دمای محیط و نرخ تولید حرارتی متابولیسم، مطابق با حل این مساله شود. در نتیجه Ta0=35.26 درجه سانتی گراد که 0.16 بیشتر از متوسط ماگزیمم دمای اندازه گیری شده در آزمایش بود. او همچنین متوجه شد برای پرفیوژن بین 1.2 الی 1.8 Kgm3s نظریه اش بهترین تطابق را با داده های آزمایشگاهی نشان میداد.
مدل او پیش بینی کرد اگر ثاثیر پرفیوژن از معادله انتقال حرارت موجود زنده حذف شود، ماگزیمم افزایش دمای بافت نسبت به محیط اطراف از 2 الی 3 درجه سانتی گراد تجاوز نمیکند.
فرضیات این مدل با جزئیات فراوانی مورد انتقاد قرار گرفتهاند و نتیجه حاصل این بوده که احتمالا مدل پنس کمی در بحث انتقال حرارت مابین خون و بافت اغراق کرده است. حاصلضرب عبارات بدست آمده توسط پنس با یک عامل که وابستگی مدل را به نرخ پرفیوژن بیان میکند نتایج به مراتب دقیقتری را بدست میدهد.
ویسلر CITATION EHW61 l 1065 [10] مفاهیم بکار رفته در مقاله پنس را برای توسعه اولین مدل حرارتی انسان در شرایط پایا و چند جزئی بکار برد. مدل او متشکل از شش عنصر همگن استوانهای به نمایندگی از سر، بدن، دو دست و دو پا بود که خون مابین آنها در حال جریان بود. تعادل حرارتی نیز مابین خون در حالت جریان مخالف سرخرگ و سیاهرگ برقرار شده بود. زمانیکه مقادیر معقول و منطقی برای میزان سوخت و ساز و نرخ پرفیوژن به شش جز مرتبط تعلق گرفت و از دست دادن گرما بواسطه تنفس نیز در بررسی مدل در نظر گرفته شد، توافقات نسبی مابین دماهای بدست آمده و محاسبه شده حاصل شد. این مدل اثرات شرایط حرارتی را بر جریان خون، ترشح عرق و یا لرز در نظر نگرفته بود.
اطلاعات جمع آوری شده از مطالعات انجام شده در آزمایشگاه پیرس در طی 5 سال بعدی کمک بسیار شایانی به درک کلی از تنظیم حرارت در بدن انسان کرده است. تغییرات گذرا در دمای مرکز بدن و دمای متوسط پوست در حالت نشسته و با لباس سبک در محدوده درجه حرارت محیطی 13 تا 48 درجه سیلسیوس ثبت شدهاند. نرخ تولید حرارت متابولیکی و میزان ترشح عرق با استفاده از کالریمتر تعیین شدهاند. دادههای بدست آمده هنوز هم برای تست مدلهای حرارتی انسان مفید میباشند. استولویک و هاردلی CITATION JAJ66 l 1065 [5] در سال 1966 با چاپ مطالعه نظری خود بر روی مدل حرارتی انسان در مورد مفاهیم کنترل بازخوردی که در تنظیم حرارت انسان بکار میرفت بطور قابل توجهی هنر مدل سازی حرارتی را بهبود بخشیدند. اگرچه مفاهیم اصلی موجود متعلق به استولویک و هاردلی نبودند با این حال نظم و دقت بکار رفته در تحلیل آنها باعث افزیش اعتبار مدل آنها شد.
مدل استولویک و هاردلی شامل سه استوانه بود که هریک نمایندگی سر، کل بدن و اجزا جزئی بدن را بر عهده داشتند. این مدل در یک کامپیوتر آنالوگ اجرا شد که بدون شک محدود کننده تعداد اجزا ورودی و میزان جزئیاتی بود که آنها می توانستند داشته باشند. در مجموع هفت منطقه به نمایندگی از بدن بصورت مغز، عضلات تنه، هسته تنه، هسته اندام و 2 میلی متر لایه پوستی بر روی هریک از اجزا حضور داشتند. شعاع و طول هر سیلندر به نحوی انتخاب شده بود که سطح و وزنی متناسب با مناطق آناتومیک معرف داشته باشد. انتقال حرارت بین مناطق مجاور، متناسب با اختلاف حرارت موجود بین آنها رخ داده است و خون موجود در استخر حرارتی با بافت موجود در هر منطقه تبادل حرارت داشته است. مزیت اصلی این مدل بکار بردن توابع کنترل برای جریان خون، تعریق و لرز در داخل یک مجموعه معقول بود. مدلهای بعدی ارائه شده همگی از این روش در کار خویش بهره بردهاند.

شکل STYLEREF 1 s ‏1 SEQ شکل * ARABIC s 1 3: مدل حرارتی بر پایه تعاملات حرارتی با محیط CITATION Lin08 l 1065 [11]دو مدل قابل توجه از کار استولویک و هاردلی توسعه داده شده است. در سال 1970 استولویک یک مدل شش عنصری را بر روی یک کامپیوتر دیجیتال تحلیل نمود. هر جز به چهار منطقه به نمایندگی از هسته مرکزی که توسط عضلات، چربی زیر پوستی و پوست احاطه شده بود تقسیم شد. هر منطقه، با پرفیوژن خون گرفته شده از استخر مرکزی تغذیه میشد. انتقال حرارت توسط هدایت حرارتی مابین مناطق متناسب با اختلاف دمای بین آنها رخ میداد. با استفاده از توابع کنترل فیزیولوژیکی برای جریان خون در پوست، میزان تعریق و لرز بر اساس بهترین اطلاعات موجود شبیه سازی میشدند. استولویک و هاردلی هنر مدل سازی حرارتی انسان را بطور قابل توجهی بهبود بخشیدند. مدل آنها در طراحی و بهره برداری سیستم پشتیبان زندگی قابل حمل در ماموریت آپولو مورد استفاده قرار گرفت و هنوز هم در بسیاری از مدلهای آسایش حرارتی از آن استفاده میشود. بطور مثال مدل چند گرهی برکلی CITATION HZh01 l 1065 [11] بر اساس مدل 25 گرهی استولویک ساخته شده است اگرچه در بسیاری موارد جزئیاتی به آن افزوده شده است.
لباسهای محافظلباسهای محافظ NBC دستهای از تجهیزات نظامی حفاظت شخصی میباشد که برای جلوگیری از تماس مستقیم فرد با مواد آلاینده و خطرناک همانند مواد رادیواکتیو، بیولوژیک و شیمیایی طراحی شدهاست. طراحی این لباسها به نحوی است که میتوان آنها را برای مدت زمان طولانی استفاده کرد و به فرد اجازه میدهند تا جنگیده و یا بطور کلی هنگام کار با مواد بیولوژیکی، شیمیایی و یا هستهای بتواند به اعمال عادی خود بپردازد. معادل شهری لباسهای محافظ لباسهای مخصوص مواد خطرناک نامیده میشود. عنوان NBC به تازگی توسط عبارت CBRN جایگزین شده است که حفاظت در برابر آتش را نیز شامل میشود.

Related posts: