VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Введение

Любые процессы, происходящие при пожарах и другого рода возгораниях, требуют детального рассмотрения и оценки. Тем более, если эти процессы непосредственно связаны с жизнями людей и их безопасностью.

В связи с этим многие авторы, как отечественные так и зарубежные, избрали для своих исследований процессы, происходящие при пожаре, при участии человека. Например, в статьях [1-4] авторы рассматривают вопрос влияния одежды на повреждения, получаемые кожей во время пожара с учетом различных факторов, таких как присутствие влаги в месте нагрева и наличие воздушной прослойки между одеждой и кожей. Также активно рассматривается вопрос эффективности защитных свойств тех или иных материалов.

Авторы статей [5-13] разработали математические модели процессов, происходящих в кожных покровах при воздействии тепла. При этом многие исследователи углубились в данный вопрос. Так в работе [6] были получены зависимости потерь воды из кожи от различных степеней ожогов и площади обгорания. В статье [8] была рассмотрено не упрощенное приближение кожной ткани, а трехмерная модель с учетом сосудистой системы. А авторы статьи [10] рассмотрели не только кожу саму по себе, но и учли геометрию пальцев, костную ткань под кожей и различия в толщинах кожного покрова в разных местах руки.

Некоторые авторы сосредоточились на отдельных видах теплообмена: так автор статьи [14] выбрал основной темой своего исследования ожоги кожи под воздействием лучистого воздействия, а автор статьи [15] ожоги при воздействии на кожу горячего газа с учетом различных индивидуальных факторов и состояния кожи в момент воздействия.

Естественно, рассмотрение подобных вопросов неразрывно связано с механическими свойствами кожи и её структурой. Исследования по данной тематике приводятся в статьях [16-20]. Также в данных работах затронуты вопросы терморегуляции кожи и методы измерения механических свойств кожи.

Исходя из всего вышеперечисленного, термическое воздействие на оголенные кожные покровы является актуальным вопросом и заслуживает серьезнейшего внимания, т.к. в реальности такие случаи являются очень распространенными при пожарах.

Целью настоящей работы является теоритическое исследование теплового воздействия на кожу человека в условиях максимально приближенных к условиям при пожаре: при ожогах от раскаленной металлической частиц из стали, нагретой до высоких температур.

Задачами данного исследования являются:

1. Создание математической модели для поставленной задачи

2. Получение решения

3. Анализ полученных результатов

4. Вывод и подведение итогов о проделанной работе

Физическая постановка задачи

В данной работе рассматривается некоторый участок кожи, на котором находится нагретая до высокой температуры металлическая частица. В результате идеального контакта происходит инертный прогрев. Данное физическое явление рассматривается как процесс теплопередачи путем теплопроводности. Границами нашей системы являются воздух и подкожный слой. В результате мы исследуем распределение температур в системе частица-кожа.

Рисунок 1 – Геометрия задачи

Математическая модель

Нестационарные дифференциальные уравнения теплопередачи, соответствующие сформулированной физической модели, имеют следующий вид:

где 1-е уравнение теплопроводности для кожи, а 2-ое уравнение теплопроводности для частицы.

Начальные условия можно записать следующим образом:

t=0: T=T1;

t=0: T=T2;

Граничные условия:

x=0: (граничные условия 3 рода);

x=L:

(граничные условия 4 рода);

x=L: (граничные условия 3 рода);

Алгоритм решения сформулированной краевой задачи можно представить следующим образом.

Сначала проводим аппроксимацию дифференциального уравнения конечными разностями, получаем систему линейных алгебраических уравнений, которую решаем методом прогонки. При нахождении прогоночных коэффициентов в области 0 ≤ x < L используем характеристики кожи, а при L< x ≤ L – частицы. В точке же x = L необходимо использовать граничное условие 4 рода.

Исходные данные и результаты моделирования

В соответствии со статьей [21] средняя температура кожи при комфортной температуре окружающей среды составляет примерно 33–34 °С. В соответствие с этим принимаем °С.

В момент времени t=0:

Т1=306,65 К;Т2=873,15 К;

; ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

На рисунке 2 представлено распределение температуры в системе «частица-кожа» для времени t=40 сек.

Рисунок 2 - Распределение температуры в системе «частица-кожа» для времени t=40 сек.

Выводы

В ходе работы разработана математическая модель процесса теплопередачи между кожным покровом и источником нагрева – одиночной нагретой до высоких температур частицы. Получено распределение температуры в системе «частица-кожа».

Полученные в ходе работы данные могут быть использованы для дополнения уже имеющихся материалов по данной тематике и сравнения воздействий на кожу различных факторов, а также могут быть полезны для разработки новых систем защиты от воздействий, возникающих в условиях пожара.

Литература

1. Fanglong Zhu, Kejing Li Numerical Modeling of Heat and Moisture Through Wet Cotton Fabric Using the Method of Chemical Thermodynamic Law Under Simulated Fire // Fire Technology. 2011. № 47. C. 801–819.

2. Allan T. Kirkpatrick, Henry Curtis, Alan Adelgren Experimental Measurements of the Thermal Effectiveness of two types of protective clothing for fire fighters // Fire Technology. 1982. Vol. 18, N 3. P. 259-267.

3. Ahmed Ghazy, Donald J. Bergstrom Influence of the air gap between protective clothing and skin on clothing performance during flash fire exposure // Heat Mass Transfer. 2011. N 47. P. 1275–1288.

4. N.J. Abbott, S. Schulman Protection from fire: Nonflammable clothing // Fire Technology. 1976. Vol. 12, N 3. P. 204-218.

5. Joshua R. Monds, André G. McDonald Determination of skin temperature distribution and heat flux during simulated fires using Green’s functions over finite-length scales // Applied Thermal Engineering. 2013. N 50. P. 593-603.

6. K.N. Chao, J.G. Eisley, Wen-Jei Yang Heat and water losses from burnt skin // Med. & Biology engineering & comput. 1977. N 15. P. 598-603.

7. M.K. Bajorek, M. Kacmarek Heat transfer analysis software adapted to skin burn depth simulation // 4th European Conference of the International Federation for Medical and Biological Engineering IFMBE Proceedings. 2009. Vol. 22. P. 2491-2494.

8. Shong-Leih Lee, Yung-Hsiang Lu Modeling of bioheat equation for skin and a preliminary study on a noninvasive diagnostic method for skin burn wounds // BURNS. 2013. N 13. P. 10.

9. Feng Xu, Tianjian Lu Skin Bioheat Transfer and Skin Thermal Damage // Introduction to Skin Biothermomechanics and Thermal Pain. 2011. P. 23-68.

10. Alexander Hummel, Roger Barker Skin Burn Translation Model for Evaluating Hand Protection in Flash Fire Exposures // Fire Technology. 2013. P. 1-15.

11. Р.Ш. Еналеев, А.М. Закиров, Г.М. Закиров, Э.Ш. Теляков Прогнозирование теплового поражения человека при динамическом нагреве // Безопасность жизнедеятельности. 2011. № 8. С. 50 - 56.

12. S. Aliouat Belliaa, A. Saidane, A. Hamou, M. Benzohrac, J.M. Saiter Transmission line matrix modelling of thermal injuries to skin // Burns. 2008. Vol. 34, N 5. P. 688–697.

13. Р.Ш. Еналеев, В.А. Качалкин, Э.Ш. Теляков, Ю.С. Чистов. Прогнозирование теплового поражения человека при нагреве // Пожаровзрывобезопасность. 2012. №5, С 53.

14. Phani K. Raj A review of the criteria for people exposure to radiant heat flux from fires // Journal of Hazardous Materials. 2008. № 159. P. 61–71.

15. O.M. Lidwell Production of skin burns by hot gases // Nature. 1945. P. 298-299.

16. F. Xu , T.J. Lu K.A. Seffen Biothermomechanical behavior of skin tissue // Acta Mech Sin. 2008. № 24. P. 1–23.

17. Балабанов Е.И. Аналитический обзор. «Кожа человека, механические свойства, теплопередача». Москва. 2001.

18. Г. Тимофеев Методы аппаратного исследования кожи человека // Журнал "Косметика и медицина". 2005, № 4, 11 C.

19. И.В. Колычева, Н.Н. Несмеянова, Л.М. Соседова, Н.А. Тараненко Оценка профессионального риска развития болезней органов дыхания и кожи у пожарных // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН. 2005. №2. C. 53.

20. В.В. Болтовская Морфогенез глубокой ожоговой раны в условиях применения низкоинтенсивного электромагнитного излучения // Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2006. №6. C. 46.

21. Н. Платова Терморегуляция и тепловой баланс // Журнал «Биология». 2008. № 4.

Код для цитирования: Скопировать