Прохоров В.Т. Особенности защиты человека от воздействия низких температур

Подождите немного. Документ загружается.

341

Рис. 3.18. Базовая основа конструкции куртки специальной

теплозащитной размера 176-100-88

Для представленной модели куртки были разработаны конст-

рукции изделий с использованием алгоритмов автоматизированного

построения [26,27,28,29,30,32]. Основа конструкции была разработана

с применением методики ЕМКО СЭВ и представлена на рис. 3.18.

На базе средств САПР «Novo-cut» был разработан чертеж кон-

струкции проектируемой модели, представленный на рис. 3.19.

342

Рис. 3.19. Чертеж модельной конструкции проектируемой

теплозащитной куртки (для температуры окружающей среды -50

С).

Разработанное изделие, предназначенное для определенных

условий эксплуатации, должно обладать защитными характеристика-

ми, обеспечивающими комфортное состояние человека в зоне крити-

ческих температур. Для оценки гигиенического соответствия полу-

ченных проектных решений и для проверки адекватности разработан-

ной математической модели требуется определить способ проверки

защитных свойств изделий.

С целью решения поставленной задачи был разработан специ-

альный измерительно-расчетный комплекс «ИРК-5» для исследования

специальной одежды на предмет тепловой защиты человека от воздей-

ствия температурных факторов окружающей среды [2,34,36,37], кото-

343

рый позволяет проводить испытания образцов изделий рассматриваемо-

го назначения. Для натурных испытаний была рассмотрена методика

расчетов температурных характеристик человека, основанная на

меньшем количестве фиксируемых точек измерений, что повышает

общую надежность измерительной системы. В таком качестве может

быть рассмотрена методика К.Витте [1,2,12], как базовая для даль-

нейших исследований, которые необходимо проводить в натурных

условиях, приближенных к реальным прогнозируемым условиям экс-

плуатации.

Интерфейс программы представлен на рис. 3.20.

Рис. 3.20. Интерфейс программного модуля комплекса «ИРК-5»

344

Комплекс «ИРК-5» представляет собой аппаратуру, фикси-

рующую и передающую на компьютер данные, а также сам компью-

тер с разработанным программным обеспечением. Датчики темпера-

туры размещаются на теле человека и в окружающей среде. Показа-

ния, снимаемые с датчиков, поступают во вторичный прибор «РИЦ».

В приборе они попадают в коммутатор, затем данные передаются в

процессорный модуль, где и преобразовываются в цифровой сигнал.

Через ПСК (плата сети кольцо) и АСК (адаптер сети кольцо) они от-

правляются в компьютер, используя интерфейс RS-232 (коммутаци-

онный порт).

Эксперименты могут проводиться в условиях с широким диа-

пазоном температур. Естественно, температура человека не должна

опускаться или подниматься ниже или выше критического значения.

Именно об этом и сообщает инструкторам программный модуль

[36,37].

Анализ работ, посвященных проектированию одежды на базе

имитационного и оптимизационного математического моделирования

системы «Ч-О-С», позволил установить, что результаты моделирова-

ния не адаптированы к непосредственному формальному применению

в системах автоматизированного проектирования одежды. Это приво-

дит к тому, что конструктор вынужден задавать исходные данные для

конструирования на основании своего опыта, интуиции и субъектив-

ного восприятия задачи проектирования.

В процессе работы уточнено геометрическое представление

туловища человека, которое представляется цилиндром с сечением в

виде овала для оптимизационной модели и с сечением в виде эллипса

345

для имитационной модели. Такое представление туловища в большей

степени отвечает антропометрии человека.

Разработана оптимизационная математическая модель тепло-

обмена системы «Ч-О-С», которая позволяет минимизировать количе-

ство тепла с поверхности модели тела человека, при заданном объеме

утеплителя оптимально распределить его толщину на разных участках

модели. Разработана имитационная модель теплообмена между туло-

вищем человека и окружающей средой. Впервые сравнены между со-

бой результаты оптимизационного и имитационного математического

моделирования системы «Ч-О-С», а затем проверены на натурных ис-

следованиях [38,39,40,41].

Разработана методика и программное обеспечение для измери-

тельно-расчетного комплекса «ИРК-5», применяемого для оценки те-

плового состояния человека в реальном времени. При помощи ком-

плекса получены динамические параметры поверхностных темпера-

тур человека, контроль теплонакопления, теплосодержания и дефици-

та тепла человека во время испытаний [39,40,42,43,44].

Проведенные разработки и исследования позволили сделать

следующие выводы:

1. С целью повышения качества проектирования теплоза-

щитной были проведены исследования и разработаны оптимизацион-

ная и имитационная математические модели системы ««Ч-О-С».

2. Определено, что для оптимизационных моделей целесооб-

разно представлять туловище в виде цилиндра с сечением овал (набор

секторов окружностей), так как это может свести решение уравнений

теплопередачи к осесимметричным. Для имитационных моделей це-

лесообразней представлять туловище в виде цилиндра с эллиптиче-

ским сечением, так как это позволяет удовлетворить требованиям не-

346

прерывности граничных условий и упрощает генерацию модели сече-

ния туловища человека. Такой подход позволяет повысить точность

расчетов тепловых потоков с поверхности туловища человека.

3. Проведённый анализ результатов математического моде-

лирования и сравнение с экспериментальными данными показал адек-

ватность тепловых полей моделей реальным процессам системы «Ч-

О-С», что дало возможность использовать результаты оптимизацион-

ного математического моделирования для САПР одежды.

4. Разработана методика и программный модуль автоматизи-

рованного расчета коэффициентов на свободу облегания конструкции

изделия и необходимой толщины материала. Уменьшение количества

конечных элементов в сечении в рамках математической модели бо-

лее чем в 16 раз приводит к существенному увеличению скорости ра-

боты программы. Универсальность выходных параметров расчетного

модуля позволили применить его в современной методике проектиро-

вания одежды и интегрировать в САПР одежды «Novo-cut» [44,45].

5. На базе разработанной методики расчета параметров теп-

лозащитной конструкции было разработано программное обеспече-

ние, при помощи которого разработана в САПР «Novo-cut» конструк-

ция специального теплозащитного костюма.

Создана и экспериментально проверена в условиях термокаме-

ры теплозащитная куртка для температуры окружающей среды -50

С.

Проверка состояния человека осуществлялась с помощью комплекса

«ИРК-5». Результаты экспериментальных исследований показали

приемлемость конструкторских решений с использованием блока

САПР теплозащитной одежды.

347

Глава 4

Прогнозирование зависимости теплозащитных свойств пакетов

материалов от условий эксплуатации

Существующие методы конструирования пакетов материалов

не отвечают современным требованиям. Они построены на субъек-

тивной оценке условий труда и связаны с произвольным выбором со-

става пакета. В лучшем случае пакеты экспериментально проверяются

по их теплопроводности, т.е. термическому сопротивлению R

(м

·К)/Вт. При таком подходе к конструированию одежды и обуви из

рассмотрения выпадают важные вопросы (температурные условия,

энергозатраты, ветровые нагрузки, режимы труда и отдыха, воздуш-

ные прослойки удельные нагрузки на пакет, влияние влагопотерь че-

ловека на теплозащитные свойства и т.д.). Представляется более пра-

вильным решать обратную задачу, т.е. определять термическое сопро-

тивление пакета, обеспечивающего достижение комфортных условий

труда по заданным исходным данным. Большие возможности в этом

направлении открывает вычислительный эксперимент (математиче-

ское моделирование), который позволяет с помощью ЭВМ изучить

модель явления.

Для математического моделирования (рис. 4.1) использованы

зависимости:

ααααα

xkxp

rkrp

.....

; (4.1)

348

; (4.2)

; (4.3)

; (4.4)

; (4.5)

; (4.6)

; (4.7)

; (4.8)

, (4.9)

где: К

– коэффициент теплопередачи через систему пакета,

Вт/(м

·К);

р.c

; α

p.x

– коэффициент радиационной теплоотдачи по горячей и хо-

лодной сторонам пакета, Вт/(м

·К);

k.c

; α

k.x

; α

к.x

–

коэффициент конвективной теплоотдачи

(с – свободная конвекция, в – вынужденная), Вт/(м

·К);

εεε

;;

– степень черноты горячей поверхности (кожи), внутренней и

лицевой поверхности пакета;

; T

– температура горячей поверхности внутренней и ли-

цевой поверхности пакета и окружающего воздуха, К;

TTT

−=∆

;

TxTzTx

−

∆

– разность температур, К;

349

;

rв.

;

xв.

– коэффициент теплопроводности пакета материалов. воз-

духа в межодежном (межобувном) пространстве и со стороны лицевой

поверхности (окружающая среда), Вт/(м·К);

rв.

;

xв.

– коэффициент кинематической вязкости, м

/с;

; δ

в. r

– толщина пакета и слоя воздуха в межодежном пространстве,

м;

э.x

) – характерный размер, м;

Re, Gr, Pr – критерии Рейнольдса, Грасгофа и Прандтля;

– скорость потока воздуха, м/с;

св.к

– средневзвешенный тепловой поток с поверхности кожи, Вт/м

Формулы (4.6) и (4.7) используются соответственно (GrPr)

в.x=10

÷10

и (СгРг) в.x>10

, а формулы (4.8) и (4.9) – Rе

<2·10

Rе

>2·10

Программа расчета на ЭВМ написана на алгоритмическом

языке РL 1/L и реализована в системе ОС-ЕС. При расчете искомой

температуры T

используется итерационный метод. Коэффициенты

теплопроводности, кинематической вязкости и критерий Прандтля

воздуха в зависимости от температуры аппроксимированы линейными

уравнениями.

Исходными данными для первого расчета являются: ε

, ε

, Т

, T

, ∆t

, h

э.х

), ω

и q

св.к.

. В результате расчета при приня-

той величине R

п.1

получаются значения Т

r.1

, Т

1.1

, Т

z.1

(формулы (4.2) —

(4.4)}, которые определяют разности температур ∆t

r 1

, ∆t

x 1

.По най-

денным Т

r.1

, Т

1.1

, Т

z.1

, ∆t

r 1

,∆t

x 1

выполняется второй расчет. Полу-

ченные значения Т

r.2

, Т

1.2

, Т

z.2

, ∆t

r 2

, ∆t

x 2

используются для третьего

расчета и т. д. Количество последовательных приближений определя-

ется заданной точностью расчета величины Т

r.i

например, различие

350

между значениями Т

r.i

и T

r(i+1)

не должно превышать 0,01 градуса, т.

е. задается на уровне данных.

Аналогичным образом выполняются расчеты и для других

значений R

п2

, R

п3

, … R

п n

, где соответствующие им температуры T

r i

, T

r i 2

, T

r i 3

, … , T

r i n

Результаты расчетов приведены на рис.4.1. Искомое значение

п и

находится по точкам пересечения верхней и нижней границ сред-

невзвешенной температуры кожи в термическом комфорте с зависи-

мостью T

rij

= f(R

) Термический комфорт определяется уровнем энер-

гозатрат, а следовательно, и соответствующим значением q

св

[1, 2].

Рис. 4.1. Система обозначений тепловых потоков, температур

и геометрических параметров пакетов материалов