CC BY
31
2. Совершенствования организации и управления пожарной охраной [Брушлинский Н.Н., Микеев А.К., Бозуков Г.С. и др.]: Под ред. Н.Н. Брушлинского. - М.: Стройиздат, 1986. - 152 с.
3. Федеральный закон Российской Федерации от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
4. Автоматизированная система управления дорожным движением [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.omsis.ru/mam.php?id=31.
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В КОЖНОМ ПОКРОВЕ С УЧЕТОМ СТРУКТУРНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ
Д.В. Коробкина, магистрант, Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
г. Томск
Для оценки последствий воздействия теплового излучения в чрезвычайных ситуациях (в том числе, лесных пожаров [1]) могут применяться как отечественные, так и зарубежные методы, которые представляют количественные зависимости между термодинамическими и медицинскими критериями теплового поражения [2]. В настоящее время отсутствуют программные компоненты, реализующие развитые математические модели реальных теплофизических процессов, происходящих в кожных покровах и тканях человека. Настоящий проект открывает перспективы создания нового поколения медицинских информационных систем [3] для нужд МЧС и скорой медицинской помощи при минимизации и ликвидации социального ущерба от лесных пожаров.
Строение кожи. Основным способом передачи тепла от высокотемпературного источника к объекту является тепловое излучение [4]. От интенсивности теплового излучения зависит степень повреждения кожного покрова. Кожа является самым большим органом тела. Она составляет примерно 14-16% веса взрослого человека и играет ряд важных ролей и занимает площадь 1,5-2,0 м в зависимости от размеров тела человека [5]. Кожа имеет весьма сложное строение, имеющее свои особенности в различных частях тела. Кожа состоит из трех слоев: эпидермиса, дермы и подкожной клетчатки (гиподермис).
Математическая модель. Для задач моделирования кожу можно условно представить в виде слоистой структуры, а в качестве неоднородного включения рассматривать волос (рис. 1). Температурное поле в каждом слое описывается дифференциальным уравнением теплопроводности:
дТ1 3 dt
(
2гт \
д 2т дТ
dx2 dz2
ClPl
Т dt
= х2
2 Т \
( d Т d Т
dx2 + dz2
сзА'
dT. dt
= Аз
d2 Т dT
dx dz1
C \P4
dT
f ¿2
dt
= K
d T d2T
dx2 dz2
1, 2, 3, 4 - эпидермис, дерма, гиподерма, волосяная луковица; с -удельная теплоемкость, кДж /(кг ■ К); р - плотность, кг / м3; Х- коэффициент теплопроводности, Вт / (м ■ К); Т - температура, 0C;
Начальные и граничные условия: г = о, Т = Т, 0 ^ х ^ 0 ^ 2 ^
дТ п дТ п
x=0: & = 0г> 0, x=Lx: -т = 0г > 0, На границе Г0 применяем граничные условия 2-го рода, т.к. учитываем влияние теплового потока от фронта пожара:
дТ дТ
Г0) г = ^: 1 = qп, Л4—4 = qп, дх дх
Где дп = /(х), х- расстояние от кромки пожара, м; дп -тепловой поток от
фронта пожара, Вт / м2;
На границах Г1, Г1.1, Г2 и Г2.1 используем граничные условия 4-го рода: Г1) Т^^г) = Т2($,х,х), Г1.1) Т2(гх^) = Т(их,2\
dz~ Х dz'
Г 2) T2(t, x, z) = T3(t, x, z), Г 2.1) T4(t, x, z) = T3(t, x, z),
2 dT2 _ ; dT3 ; дТ4 _ ; дТ3
dz dz dz dz
На границе Г3 зададимся 3 различными условиями:
дТ Fit
1) Задаем Т3 = Тз,; 2) X —3 = qm; 3) а(Те -Тъ) = \ -3,
дх дх
ТЪ1 = Т - температура внутренней части гиподермы, °C; qBH - тепловой поток внутренней части организма (внутреннее тепловыделение), Вт/м ■ а-коэффициент теплопередачи, Вт / (м2 • К).
Г4.1) T(t,x,z) = T(t,x,z), Г42) xz) = T2(t,xz) Г4.3) T4(t,x,z) = T3(t,x,z),
-x Т=-xдТ!, -xдТ±=-xдТ2, -хдТ±=-xдТ.,
дх дх' дх дх дх дх '
Исследовалось воздействие теплового потока от фронта пожара на фронтальную часть ладони.
Программирование осуществлялось на языке программирования Delphi. Результаты представлены графически с помощью программы Origin Pro 8.
Анализируя рисунок 2, можно сделать вывод о том, что:
1) наличие структурных неоднородностей в составе кожного покрова изменяет температурное поле в нем при воздействии лучистого теплового потока;
2) в силу отличных теплофизических характеристик в зоне нахождения волосяной луковицы формируется поле пониженной температуры;
3) пониженная температура наблюдается в области выхода волоса из кожного покрова;
4) наличие структурных неоднородностей будет приводить к формированию ячеистой структуры внутри и на поверхности кожного покрова с пониженными значениями температур;
5) данный факт следует учитывать при разработке нового поколения противоожоговых медицинских средств и перевязочных материалов.
Рис. 1. Геометрия области решения задачи: 1 - эпидермис; 2 - дерма; 3 - гиподерма; 4 - волос
Рис. 2. Изменение температуры в слое кожи через 3 с при значении теплового потока от фронта пожара 3 кВт/м
Список использованной литературы
1. Кузнецов Г.В., Барановский Н.В. Прогноз возникновения лесных пожаром и их экологические последствия. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. -301 с.
2. Еналеев Р.Ш., Теляков Э.Ш., Закиров А.М., Чистов Ю.С., Закиров Г.М. Прогнозирование санитарных потерь от воздействия теплового излучения в чрезвычайных ситуациях // Безопасность жизнедеятельности. 2011. - Т.121. - №1. - С. 36-41.
3. Гусев А.В. Рынок медицинских информационных систем: обзор, изменения, тренды // Врач и информационные технологии. 2012. - № 3.
4. Закиров А.М. Количественная оценка опасности поражения человека тепловым излучением при пожарах на химических и нефтехимических предприятиях: дисс. ... канд. техн. наук. - Казань: Казанский государственный технологический университет, 2011.
5. Пушкарева А.Е. Лазерный селективный нагрев элементов кожной ткани: дисс. ... канд. техн. наук. - СПб: С.-Петербургский гос. ун-т информ. техн., механики и оптики, 2006.
6. Xu F., Lu T. J, Seffen K. A. Biothermomechanical behavior of skin tissue // Acta Mechanica Sinica. 2008. Vol. 24. No. 1. P. 1-23. (doi: 10.1007/s10409-007-0128-8).
