WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |

«Монография УДК ББК Авторский коллектив Прохоров В.Т., Осина Т.М., Жихарев А.П., Михайлов, А.Б., Михайлова И.Д. Рецензенты: Доктор технических наук, профессор А. Жаворонков (г.Шахты) Доктор ...»

-- [ Страница 5 ] --

От стопы на внутренний слой обуви поступает тепловой поток плотности q. Теплообмен между внешней поверхностью обуви и окружающей средой (с температурой Tc ) происходит по закону Ньютона с коэффициентом теплоотдачи слоев существует идеальный контакт, т.е. температура Ti и тепловые потоки на поверхности соседних слоев одинаковы.

Рис. 2.23. Схема прохождения тепла через сложную плоскую стенку а) плоская многослойная пластина с граничными условиями 2-го и 3-го рода. Схема прохождения тепла через плоскую сложную стенку показана на рисунке 2.23. Пусть система материалов 1, 2,K n соответственно. Так как площадь поверхнопроводности сти каждого слоя плоской стенки одинакова, в стационарном режиме распределение температур на поверхностях слоев определяется системой равенств:

Решая систему относительно Ti, получим нием многослойного плоского пакета материалов. Если взять за критерий комфортности температуру T1 контакта внутренней поверхности обуви и стопы, то можно просчитать тепловое сопротивление пакета P, обеспечивающее комфортные условия стопе в течение длительного времени.

б) цилиндрическая многослойная стенка с граничными условиями 2-го и 3-го рода Схема прохождения тепла через сложную цилиндрическую стенку показана на рисунке 2.24. Пусть система материалов состоит из n слоев с внутренними и внешними радиусами r1, r2, K rn +1 и коK n соответственно.

эффициентами теплопроводности Рис. 2.24 Схема прохождения тепла через сложную В системе (2.108) для i -го слоя цилиндрической стенки ( l высота цилиндра). Тогда система (2.108) примет вид:

Решая систему относительно температуры Ti, получим термическим сопротивлением многослойной цилиндрической стенки.

в) шаровая многослойная стенка с граничными условиями 2-го и 3-го рода Пусть многослойная шаровая стенка состоит из n слоев с внутренними и внешними радиусами r1, r2, K rn +1 и коэффициентами теплопроводности Для i -го слоя шаровой стенки Система (2.11) примет вид:

Решая систему относительно температуры Ti, получим термическим сопротивлением многослойной шаровой стенки.

Если считать комфортными условиями состояния стопы температуру контакта, равной 21°С – 25°С, то диапазон изменения теплового сопротивления пакета обувных материалов низа обуви, обеспечивающего эти комфортные условия длительное время (8 часов) при различной температуре окружающей среды, можно привести в таблице 2.19.

Тепловое сопротивление пакета материалов низа обуви (м·С/Вт), обеспечивающее комфортную температуру межобувного пространства 21°С – 25°С при различном уровне теплообразования стопы и при теплоотдаче с коэффициентом = 20 Вт /( м 2 o С ) Температура Плотность теплового потока стопы (Вт/м) окружающей В самом простом случае, когда рассматривается пакет из одноr2 r1 и коэффициентом теплопроводного материала толщиной, тепловое сопротивление сти где r1, r2 соответственно внутренний и внешний радиусы пакета. Если зафиксировать r1, то тепловые сопротивления будут функr2 r1 можно Rп Rц Rш. Для этого составим две функции f1 ( r2 ) = Rп Rц и функции f1 ( r2 ) и f 2 (r2 ) возрастающие, а значит Rп Rц Rш. Таким образом, тепловое сопротивление пакета зависит от его формы. Значит, возникает необходимость рассматривать разбиение обуви на локальные участки, представляющие многослойные пакеты различной формы. В силу того, что полное сопротивление многослойных пакетов представляет сумму тепловых сопротивлений слоев, то соотношение Rп Rц Rш будет справедливо и для многослойных пакетов материалов.

В качестве примера, подтверждающего этот вывод, рассмотрим пакет материалов, состоящий из 5 слоев. Состав пакета и характеристики материалов представлены в таблице 2.20.

Состав и характеристика материалов, входящих в пакет Проанализируем, как изменится тепловое сопротивление в зависимости от формы пакета при = 8 Вт /( м 2 o С ) и внутренним радиусом r1 = 63 мм.

Получили, что Rп Rц Rш. Чтобы выровнять значения тепловых сопротивлений Rп, Rц и Rш нужно, например, увеличить толщину меха в цилиндрическом пакете примерно на 3мм и соответственно в сферическом – на 5,5мм. Таким образом, полное тепловое сопротивление пакета существенно зависит от его формы, что говорит о необходимости локального рассмотрения процесса теплообмена через различные конструктивные узлы обуви.

2.14.3 Описание процесса теплообмена в многослойных пакетах материалов в стационарном режиме с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры При понижении температуры теплопроводность у обувных материалов возрастает, что свидетельствует о снижении их теплозащитных свойств. Это объясняется в первую очередь пористой разветвленной структурой этих материалов, в которых протекают сложные физико-химические процессы. При понижении температуры материалов происходит конденсация влаги, содержащейся в воздухе, на структурные элементы материала. Протекание этого процесса изменяет исходные свойства и характеристики строения материалов. Количество сконденсированной влаги на структурных элементах материала зависит от температуры охлаждения, площади удельной поверхности и теплоемкости материала. Чем ниже температура охлаждения, тем больше влаги из воздуха сконденсируется на поверхности структурных элементов материала. Сконденсированная на структурные элементы из воздуха влага заполняет микро- и макропоры, образуя между структурными элементами иммерсионные связи, которые увеличивают теплопроводность материалов. Наибольшие изменения в значениях теплопроводности относительно 293К наблюдаются у триплированных материалов: теплопроводность возросла на 0,055 – 0, Вт/(мК), у кожи на 0,029 Вт/(мК), у байки х/б – 0,0183 Вт/(мК) и у синтетического велюра на 0,0170 Вт/(мК). В таблице 6 приложение приводится влияние температур охлаждения на теплопроводность некоторых материалов [44].





На основе анализа экспериментальных результатов получена аналитическая зависимость T теплопроводность материала при некоторой температуре где 0 теплопроводность материала при температуре исиспытаний t, пытаний t 0 = 293К, T = 293o t – относительная температура, b (1/K) – коэффициент, который изменяется в пределах от 0,004 до 0,009 и зависит от вида и характеристик строения испытанных материалов.

Уравнение, определяющее тепловой поток через стенку в этом случае примет вид:

Интегрируя (2.110) в пределах от T1 до T 2 и от n1 до n2 получим Вычислив интеграл справа, имеем откуда Введем среднеинтегральное значение теплопроводности тогда тепловой поток Q на поверхности тела определим по формуле Для того чтобы получить распределение температуры в стенке при заданном постоянном тепловом потоке Q на поверхности, необходимо проинтегрировать уравнение (2.110) от T1 до T и от n1 до n :

тогда откуда Физическому смыслу задачи удовлетворяет решение, где перед корнем необходимо взять знак плюс. В этом можно убедиться, подставив решение в граничные условия. Итак, или Выражение (2.112) дает нам распределение температуры по толщине стенки для всех трех геометрических форм. Рассмотрим конкретные геометрические формы стенки.

Плоская стенка. Вычислим параметры обобщенного решения:

Тогда тепловой поток на поверхности стенки определим по формуле а распределение температуры – по формуле Цилиндрическая стенка. Параметры обобщенного решения имеют вид Тепловой поток, проходящий через цилиндрическую поверхность S Выражение для температурного поля имеет вид Шаровая стенка. Приведенные координаты Подставляя полученное значение имеем Из решения (2.112) получим распределение температуры в шаровой стенке Формула (2.111) имеет такой же вид, что и формула (2.107) = ср ), поэтому можно рассматривать распределеесли положить ние температуры в многослойной конструкции, используя систему, подобную (2.108):

Аналитическое решение системы имеет довольно сложный вид даже в случае трех уравнений, поэтому ее лучше решать численными методами в каждом конкретном случае.

В качестве примера расчета теплового сопротивления рассмотрим пакет обувных материалов, составляющих низ обуви. Толих коэффициенты теплопроводности 0 при щина материалов 293К и коэффициенты линейной зависимости b формулы (2.12) приведены в таблице 2.21.

Состав и характеристики пакета материалов, Тепловое сопротивление пакета материалов при температуре 20С 0,002 0,01 0,0012 0,002 0, Для пакета материалов низа обуви из таблицы 2.21 система (2.113) примет вид:

где Ti, Ti +1 относительная температура на внутренней и внешней поверхности i -го слоя пакета; Tc относительная температура окружающей среды; T = 293o K t, t абсолютная температура в К.

шим (40 Вт/(м·С)), что соответствует непосредственному контакту подошвы и земли.

Решая систему (2.114) при температуре окружающей среды 263К (–10С) и плотности теплового потока 60 Вт/м, получим распределение относительной температуры между слоями пакета:

Абсолютная температура между слоями соответственно равна t1 = 297,9o K (24,9o C ); t 2 = 295,5o K (22,5o C ); t3 = 281,1o K (8,1o C );

t 4 = 280,5o K (7,5o C ); t5 = 277,5o K (4,5o C ); t6 = 264,5o K (8,5o C ).

Тогда в соответствии с формулой изменившиеся от температуры коэффициенты теплопроводности будут равны ср.1 = 0,05(1 + 0,005(4,9 2,5) / 2) = 0,049 ;

Тепловое сопротивление пакета при этом уменьшится и составит 0,53 м·С/ Вт.

Рассмотрен стационарный процесс теплопередачи через пакеты материалов с учетом зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры. Проведены расчеты зависимости теплового сопротивления пакета материалов для низа обуви от воздействия низких температур.

Изменение теплового сопротивления (м·С/ Вт) пакета материалов для низа обуви при воздействии низких температур Температура 2.14.4 Определение коэффициентов теплопроводности и тепловых Основные теплофизические характеристики обувных материалов определяют опытным путем с использованием метода стационарной теплопроводности или методом нестационарной теплопроводности: регулярного режима I и II родов, граничных условий IV рода, зондового и др. [82,27,18]. Для исследования обувных материалов метод стационарной теплопроводности использовали, например, И.Е.

Манохин и Е.Н. Чунихина [81], метод регулярного режима I рода – Е.А. Мирошников и Л.В. Кедров [58], метод регулярного режима II рода – А.В. Лыков[82], метод граничных условий IV рода в системе двух тел и зондовый метод с плоским источником тепла – В.А. Смирнов и В.С. Каштан [56].

В работе для определения основных характеристик теплофизических свойств материалов использована установка, созданная в МГУДТ, позволяющая проводить испытания материалов в интервале температур от 100 до 500 К и атмосферном давлении от 10 5 до Па и действии внешнего давления N до 2МПа. Схема установки приведена на рисунке 2.25.

При использовании метода стационарной теплопроводности, Вт/мК материалов и пакетов вычисляют по формуле:

а при методе нестационарной теплопроводности по формуле, предложенной В.А. Смирновым:

где I сила тока в нагревателе, А;

U напряжение, В;

t 0 время включения нагревателя;

h толщина пробы, м; постоянные – 3,14;

e = 2,72;

S площадь нагревателя, м;

t max время достижения максимального перепада температуры в материале;

T максимальное значение перепада температур в материале, К;

k тарировочный коэффициент установки, равный 0,84.

1 – пробы материалов; 2 – нагреватель; 3 – холодильники;

4 – вакуумный колпак; 5 – электросекундомер; 6 – источник питания;

7 – прибор для регистрации температуры пробы материала; 8, 16 – трубопроводы;

9 – вакуумметр; 10 – форвакуумный и паромасляные насосы; 11 – ультратермостат; 12, 14 – вакуумные вентили; 13 – трубка; 15 – вакуумная плита; 17 – измеритель перепада температур на пробах материала Рис. 2.25. Схема установки для определения характеристик теплофизических свойств материалов Тепловое сопротивление – R(м·К/Вт) материалов вычисляется по формуле:

При определении теплофизических характеристик обувных материалов использовалась методика, изложенная в [44].

Экспериментальные значения коэффициентов теплопроводности и тепловые сопротивления измеряемых обувных материалов представлены в таблице 2.23.

Показатели теплофизических свойств материалов трикотажной основе тканевой основе полушерстяным ворсом хлопчатобумажная обуви группы А иглопробивной дублированный межподкладки дубления для верха обуви для верха обуви 19. Подкладочная кожа – козлина 0,51 0,069 0, дубления 23. Непористая резиновая пластина 4,28 0,26 0, жанием кожевенного волокна Как и физико-гигиенические свойства, теплофизические характеристики, полученные разными методами, лишь условно сравнимы. Их величины зависят от условий проведения испытаний: удельного давления на образец, его начальной температуры и влажности (влагосодержания) материала. В большинстве ранее проведенных исследований определяли условные, по выражению А.В. Лыкова, теплофизические характеристики обувных материалов при нормальных условиях, а не истинные при влагосодержании, соответствующие реальным условиям эксплуатации обуви.

При исследовании характеристик теплофизических свойств ( и R) материалов: тканей, кож, искусственных кож и меха, комплексных и триплированных материалов Жихаревым А.П.[40, 44,45] установлено, что наиболее существенные изменения исходных характеристик наблюдаются при комплексном действии влаги и силового давления. При возрастании влагосодержания до 40% и давления до 157,35 кПа наблюдается снижение теплового сопротивления материалов, что вызвано увеличением площади контакта между структурными элементами, уменьшением интегральной пористости материалов или средней плотности.

2.14.5 Влияние силового давления на толщину и теплофизические свойства искусственного и натурального меха Действие на материал внешней силы при сжатии, одноосном растяжении и изгибе приводит к сближению структурных элементов, при этом изменяются толщина, средняя плотность, пористость и другие характеристики строения и геометрических свойств материалов.

Поскольку эффективная теплопроводность материалов тесно связана с содержанием воздуха в объеме материала, то изменение геометрических характеристик и пористости материала должно отразиться на теплопроводности и тепловом сопротивлении [44].

Действие на материал внешнего давления приводит к изменению исходной толщины материала (таблица 5 приложений), которая является одной из характеристик при расчете и R уравнения (2.116).

Если не учитывать изменение исходной толщины материалов при действии внешнего силового давления, то это искажает значения и R материалов в несколько раз. Так, например, при изменении давления до 157,35 кПа толщина искусственного меха арт. 9103 уменьшилась с 9,95 мм до 1,87 мм. Если при расчете теплового сопротивления материала при давлении 157,35 кПа взять исходную толщину материала в 9,95 мм, то значение теплового сопротивления будет завышено в 5, раза, что приводит к изменению истинных значений теплозащитных свойств этого материала [44]. Были проведены эксперименты по определению зависимости толщины меха от действия давления в диапазоне от 0,5 кПа до 20 кПа. Были взяты образцы натурального и искусственного меха в форме круга диаметром 8 см. В таблице 2.24 представлены исходные данные материалов и динамика изменения толщины меха при различном давлении.

Зависимость толщины меха от действия давления Натуральная овчина ГОСТ 4661- Искусственный мех на трикотажной основе ТУ 17-09-87- На рисунке 2.26 представлена динамика изменения толщины натурального меха, а на рисунке 2.27 – динамика изменения толщины искусственного меха под действием давления.

Рис. 2.26. Зависимость толщины натурального меха от действия давления Рис. 2.27. Зависимость толщины искусственного меха от действия В дальнейшем при теоретических расчетах зависимости температуры внутриобувного пространства от времени учитывалось изменение толщины меха и коэффициента теплопроводности при давлении стопы человека 20 кПа.

Разработка математической модели системы «человек – Существующая актуальная потребность в средствах индивидуальной защиты сопряжена с большими материальными и объективными сложностями, которые возникают при разработке и тестировании новых образцов защиты человека от окружающей среды. Подчас испытатели рискуют в большей степени, тестируя образец в максимально допустимых условиях, в отличие от тех, для кого предназначаются разрабатываемые комплекты индивидуальной защиты. Поэтому математическое моделирование системы «человек – одежда – среда» (Ч-О-С), – эффективный инструмент, позволяющий сократить число натурных экспериментов [1,2].

С другой стороны отдельно от задач инженерного проектирования одежды существует математическое моделирование системы «Ч-О-С», которое нацелено на исследование состояния человека в рамках поставленных условий моделирования [3]. В системах автоматизированного проектировании одежды инженером-конструктором задаются коэффициенты на основании своего опыта и интуиции, а также общепринятых расчётов, базирующихся на математических моделях малой точности.

Разработка математических моделей системы «Ч-О-С», позволяющих создать алгоритмы расчета исходных параметров для САПР средств индивидуальной защиты человека является актуальной и прямой задачей математического моделирования в рамках разработки средств индивидуальной защиты человека от высоких и низких температурных условий.

3.1 Существующие методики оценки и анализа теплового состояния человека Организм человека можно представить как уникальную систему, рациональное взаимодействие составляющих которой, обеспечивает ее бесперебойное функционирование. На рис. 3.1. представлена структура взаимосвязи основных систем организма человека [4,5,6,7].

Температурный режим Рис. 3.1. Система взаимосвязи компонентов организма человека Несмотря на сложный массив воздействующих внешних факторов, тепловой баланс человека обеспечивается рационально сконструированной системой тепловой защиты, которая компенсирует воздействие среды на человека там, где его физиологическая и химическая терморегуляция уже не способна это полностью обеспечить.

Таким образом, степень рациональности теплозащитной конструкции определяется правильностью учета физиологических тепловых характеристик, на основе которых возможно произвести расчеты параметров отдельных элементов системы индивидуальной защиты человека от температурного потока. Известна методика расчета средневзвешенной толщины одежды на основании физиологических особенностей человека [1,2,8].

По этой методике с учетом заданных условий определяется величина радиационно-конвективных теплопотерь с поверхности тела человека, Q рад. конв., (Вт).

По табл. 3.1. определяются потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха при заданной мощности энергозатрат и фактической температуре окружающей среды.

Потери тепла на нагрев вдыхаемого воздуха, Вт затраты, 116 6,1 7,3 8,1 9,1 10,1 11,2 12,2 13,2 14,5 15,2 16,2 17,3 18, 174 8,1 9,4 10,8 12,2 13,6 14,8 16,2 18,0 18,9 20,0 21,7 23,0 24, 232 10,8 12,6 14,4 16,2 18,0 19,8 21,6 23,4 25,2 27,0 28,8 30,6 32, 292 12,2 14,3 16,2 18,3 20,3 22,4 24,4 28,5 28,4 30,5 32,5 34,6 36, 349 14,6 17,0 19,6 22,0 24,4 26,9 29,3 31,8 34,4 36,5 39,1 41,6 44, 407 17,0 19,8 22,7 25,5 28,4 31,3 34,1 36,9 39,7 42,6 45,3 48,2 51, 465 18,3 21,5 24,5 24,5 30,6 33,7 36,8 40,0 43,0 45,8 49,0 52,3 55, Величина Qдых. получается интерполяцией соответствующих данных табл. 1. Путем подстановки необходимых величин в формулу (3.1) получают величину радиационно – конвективных теплопотерь:

По формуле (2.) может быть определена плотность теплового потока с поверхности тела человека:

где S - величина средней площади человека, берется из приведенных Столвийком в [5,6] результатов, полученных Дюбуа, где средний рост мужчины 1,72 м, масса 74,4 кг, площадь поверхности тела 1,89 м2, на основе которых далее рассматривается модель тела человека, изложенная в работах Столвийка [6].

Основной теплозащитной характеристикой одежды является суммарное термосопротивление, R, Вт/(моС), которое определяется по следующей формуле:

где tk – средневзвешенная температура кожи, оС; tв – температура воздуха, оС.

С учетом выполняемых физических работ, что определяет величину энергозатрат человека, M, [1,2,8,9], средневзвешенная температура кожи может быть рассчитана по формуле:

В случае необходимости определения средневзвешенной температуры кожи для условий, приближенных к реальным, целесообразно произвести непосредственные замеры температуры кожи на соответствующих точках, количество и место размещения которых определяется в зависимости от вида исследования: лабораторного или натурного. Средневзвешенная температура кожи может быть рассчитана по различным методикам, учитывающим совокупность набора отдельных наиболее характерных мест (точек) на поверхности тела человека, которых может быть использовано 5, 7, 8, 11. Показатели средневзвешенной температуры кожи являются контрольными для оценки общего теплового состояния человека.

В случае проведения лабораторных исследований наиболее объективной считается 11-точечная система измерений [2,3], расчет на основании которой производится по следующей формуле (стопы, плечи и т.д. имеют по 2 значения):

t св.к= 0,0886 t к.лба+ 0,034 t к.тул+0,134 t к.плеча+0,045 t к.кисти+ В случае проведения натурных (производственных испытаний) измерения проводят по 5-точечной схеме Витте, учитывающей температуру лба, груди, бедра, голени и кисти [2,9,10,11].

Расчет средневзвешенной температуры кожи t cв.к, °С осуществляется по формуле:

t св.к = 0,07t к. лба +0,5t к. груди +0,05t к. кисти + 0,18t бедра +0,2t к. голени. (3.6) Расчет средней температуры тела t ср.т, °С производится по формуле:

где величина К (коэффициент смешивания) определяется из табл. [2].

Для использования данных таблице 3.2 проводится предварительный расчет величины М/S.

Коэффициент смешивания температуры тела при различных Теплоощущение Толщина плоского пакета n, который может обеспечить такое термосопротивление (R), можно определить по следующей формуле:

где – эквивалентный коэффициент теплопроводности пакета, Вт/(м оС).

Фактическое термосопротивление пакета с учетом кривизны тела рассчитывается, согласно [12] по формуле:

где Rn – термосопротивление плоского пакета, м2 оС/Вт; R – термосотела, м2 оС/Вт;

противление пакета, имеющего кривизну участка ф – коэффициент формы участка тела.

Формула (3.9) справедлива для идеализированного участка тела. Для всего тела человека, которое имеет сложную форму, величина ф оценивается приблизительно с учетом представления человека, стоящего по стойке «смирно» руки по швам, ноги вместе, в виде «кокона», равномерно покрытого теплоизолирующим слоем [12,13].

Величина ф оценивается по среднему значению радиуса кривизны «кокона», а величины rmax и rmin рассчитаны по результату измерений человека с размерными признаками 176-100-88:

По величине отношения (ср.+ rср)/rср по графику на рис. 3. можно определить ф.

Рис. 3.2. График зависимости коэффициента формы kф от отношения радиусов наружной поверхности теплоизоляции (r2) и изолируемой поверхности (r1) По формуле (3.8) рассчитывается средневзвешенная толщина пакета с учетом кривизны ср.

Последующая задача расчета теплозащитной и теплоизолирующей одежды заключается в рациональном распределении средневзвешенной толщины по отдельным участкам тела с учетом эффективности их утепления, которое определяется интенсивностью теплоизлучения в заданных зонах в реальных (прогнозируемых) условиях эксплуатации.

Учитывая то, что условий реальной эксплуатации специальной теплозащитной и термозащитной одежды существует великое множество, для решения определенных задач проектирования одежды необходимо выделить определенный тип защитной конструкции и способ температурной компенсации. Выделенный способ необходимо рассмотреть в математической модели системы «человек-одежда-среда».

Математическое моделирование позволит получить необходимые для инженерных расчетов данные. В результате будет спроектировано изделие, которое без непосредственного участия человека в продолжительных трудоемких экспериментах будет учитывать целевые условия окружающей среды.

3.2 Существующие методики математического моделирования систем «Ч-О-ОС» и их практическое применение при проектировании теплозащитной одежды В работах [12,13] рассмотрены методики проектирования одежды для защиты от холода. Эти методики эффективны при создании бытовой и рабочей теплозащитной одежды. Однако они не учитывают все возрастающих требований к специальной теплозащитной одежде.

Ошибкой в данном случае являются достаточно высокие допущения при построении геометрических и математических моделей систем «человек - одежда - окружающая среда». Новые требования ограничивают допустимый предел массы спецодежды, требуют увеличения длительности пребывания в условиях пониженных температур до нескольких суток. Новые комплекты согласно требованиям МЧС [13,14] должны быть рассчитаны для работы при температуре внешней среды -60°С, а также высоких температур (100-120°С).

Получена классификация теплозащитных костюмов в зависимости от определённого интервала температур в прогнозируемой зоне пребывания (рис. 3.3).

Неисследованная Рис. 3.3. Диапазоны температур для проектирования специальной одежды Рассмотренные методики проектирования специальной одежды [12,13,14,15] не удовлетворяют каждой частной задаче, так как не могут адекватно оценить состояние человека в указанных условиях.

Эффективным методом решения задач, встающих при проектировании различных видов специальной теплозащитной одежды, является математическое моделирование. Математическая модель теплового состояния системы "человек – одежда – окружающая среда" позволяет провести уточненный расчет одежды, оценить диапазон внешних условий, в которых применима данная одежда, изучить динамику теплового режима человека.

Определенные на математической модели тепловые характеристики системы: температура тела и кожи, топография теплового потока с поверхности кожи и одежды, дают полную информацию о качестве разрабатываемой одежды. Преимущество метода математического моделирования заключается в том, что он позволяет оценить поведение системы при любом сочетании параметров. При этом сокращается количество экспериментальных образцов одежды и отпадает необходимость проведения ряда натурных экспериментов, в особенности труднопереносимых человеком.

С точки зрения термодинамики организм человека представляет собой сложную систему, отличающуюся высокой стабильностью температур внутренних областей тела при возможных значительных колебаниях температуры кожи и интенсивности теплообмена между телом и внешней средой [15,16].

В общем случае, математическая модель должна описывать процесс теплопередачи из глубинных слоев тела человека через одежду в окружающую среду. При этом необходимо учитывать, такие теплофизические характеристики тела и одежды, как тепло, генерируемое в тканях тела человека, внешнюю температуру среды и т.д.

Методы математического моделирования, однако, не позволяют полностью учесть все факторы. Это связано, в первую очередь, с ограниченной мощностью средств, на которых математические модели реализуются (ЭВМ), и с неизбежным возрастанием погрешности при увеличении количества элементарных операций. Поэтому все математические модели основываются на существенной схематизации процесса формирования теплового состояния человека, а также его антропометрических характеристик.

Известные модели можно подразделить на статические [12,13] и динамические [9,10,], в которых в качестве математического описания используется соответственно стационарное или нестационарное уравнения теплопроводности. Модели описывают тепловое состояние части тела или всего тела, и учитывают: теплопроводность и метаболическую теплопродукцию тканей тела, конвективный теплообмен между кровью и тканями, теплопотери с поверхности кожи в воздушную среду радиацией, конвекцией и испарением. В этих моделях тело человека представляется цилиндром [12], плоским слоем [13] или набором других геометрических тел [5,6,8,9].

Аппроксимирующие человеческое тело фигуры рассматриваются, как системы с распределенными или сосредоточенными параметрами [2,5,6,7,8,9,12,13]. При аппроксимации тела одним цилиндром [12] можно говорить, только о приближенном воспроизведении теплового режима человека. Грубое приближение обеспечивается моделями, в которых теплопроводность, теплопродукция и теплопотери тканей тела, принимаются постоянными по всей толщине цилиндра или слоя [2,12]. Большинство авторов не учитывают систему физиологической терморегуляции человека. Они рассматривают человека в комфортных условиях, когда механизмы терморегуляции бездействуют. В работах [5,6,12] учитывается система терморегуляции. Кровоток в тканях, метаболическая теплопродукция и теплопотери испарением, рассматриваются как функции, средней температуры тела [9,10]; температуры мозга и средней температуры кожи [12]; температуры мозга, кожи и теплового потока с поверхности кожи [13].

Наиболее полной является модель, описанная в работе [10,12,13]. В более поздних работах на основе данных экспериментов уточнялись отдельные параметры системы «человек - окружающая среда». Наиболее точное согласование расчетных и экспериментальных результатов получено в модели [10], учитывающей кровоток и уточненные данные теплофизических и физиологических параметров тела.

Несмотря на обилие работ, посвященных теплообмену системы «человек – окружающая среда», исследованиям человека в теплозащитной одежде при экстремальных температурах уделяется весьма мало внимания. Наиболее значительные работы в этой области посвящены исследованию системы «человек – одежда – окружающая среда» [9,10] в воде. В этих работах созданы динамические модели теплообмена. В воде существенное влияние на тепловое состояние системы, оказывает теплоотдача в воду с поверхности водолазного костюма. Согласно данным [10] вода отнимает тепла в 11 раз больше, чем воздух той же температуры. Такой мощный отток тепла с поверхности одежды определяет необходимость применения динамической математической модели теплообмена системы «человек - одежда - окружающая среда».

Для расчетов теплового состояния системы «человек – одежда – окружающая среда» в воздухе при температурах от –50 до 20°С достаточно рассматривать статическую математическую модель. Примерами могут служить результаты работ [2,12]. Однако, ошибки геометрического представления модели, не дают качественные результаты, которые дают право выпускать необходимую теплозащитную продукцию для определённых температурных условий.

Динамическая модель необходима в том случае, когда существенно увеличиваются кондуктивные теплопотери, или человек в системе работает в большом диапазоне физической активности. Описанные выше математические модели ставят задачу определения поведения системы «человек - одежда - окружающая среда» при различном сочетании параметров одежды и среды. Эти модели составляют класс имитационных моделей, т. е. таких, которые, имитируют поведение системы в различных условиях. Проанализировав расчеты толщины утеплителя, можно остановиться на оптимальном подходе.

Задача математического моделирования может быть решена и другим способом: параметры одежды, обеспечивающие комфортное состояние человека в системе «человек – одежда – окружающая среда», определяются на первых этапах, согласно заранее заданных условий пребывания. Решение такой задачи в рамках описанных модельных представлений с учетом метаболических реакций в органах человека, реакций «гусиная кожа» и прочих, практически невозможно по техническим причинам. Поэтому данный подход требует существенного упрощения модельных представлений (он был реализован в работе [10]).

Общим недостатком математических моделей «человек – одежда – окружающая среда» является их слабая увязка с конкретными конструктивными решениями в создаваемой одежде. Это связано с весьма конструктивным представлением модели тела человека в виде цилиндров и шара, в то время как туловище человека по своей форме сечения приближается к эллипсу. В работе [13] представлена математическая модель системы «человек – одежда – среда», в которой туловище человека описано эллиптическими цилиндрами, что повышает точность геометрического описания модели тела человека, однако существует ряд допущений в процессе описания процессов теплообмена в системе, которые не являются оптимальными. Рассматриваемая математическая модель дает искомое сочетание параметров идеализированной одежды, например, толщину, режим, регуляции температуры в обогреваемой одежде и т.д. Однако она не учитывает конкретных величин, которые учитывают свободу облегания человека одеждой, прибавку на дыхание, толщину пакета, конструктивнодекоративные припуски.

В последствии проектировщику приходится методами конструирования адаптировать готовые конструкции одежды к рассчитанным оптимальным параметрам.

Математическая модель становится базой для реализации формальных методов получения основных параметров конструкции проектируемой теплозащитной или теплоизолирующей одежды и использования полученных результатов напрямую при непосредственном построении конструкции изделия без дополнительных промежуточных расчетов, основанных на трудоемких опытно-интуитивных подходах. Такие формальные методы получения исходных данных для непосредственного конструирования чертежей изделий, являются фундаментом для построения блока систем автоматизированного проектирования теплозащитной одежды.

Задачей построения любой новой методики САПР одежды должна быть необходимость создания точных формальных методов, с помощью которых можно легко перейти от оптимизационной математической модели к конечной форме лекал и другим геометрическим, физическим параметрам разрабатываемой спецодежды.

Все виды конструкторских работ в существующих САПР одежды можно разделить на 3 типа[13,14,15]:

1. Работа с массивами данных по классификационному признаку (таблицы размеров типовых фигур).

конструктивных переменных для построения чертежа (составление массива конструктивных прибавок).

3. Инженерно - графическая работа (построение чертежей конструкции проектируемой модели и деталей изделия в условиях компьютерных систем программирования).

Учитывая то, что на сегодняшний день специальной САПР для проектирования теплозащитной одежды не существует, определенный блок работ по созданию новой конструкции изделия производится на основе проведения промежуточных опытно-аналитических расчетов, которые существенно снижают эффективность работы конструктора в системах автоматизированного проектирования и не обеспечивают максимальной точности полученных инженерных решений, так как вносится значительная доля погрешности из-за субъективности принимаемых решений.

В таблице 3.3 представлены основные процедуры, выполняемые инженером-конструктором на этапе работы с исходной информацией при проектировании новой модели.

В результате внедрения разрабатываемых математических моделей целью должно быть изменение соотношения представленных видов инженерных работ в сторону увеличения автоматизированных операций.

Анализ данных показал, что часть проектных работ, основанных большей частью на субъективной опыте конструктора, незначительно поддается автоматизации. Это особенно проявляется в процессе определения конструктивно-декоративной прибавки.

Расчет минимально-необходимой конструктивной прибавки складывается из нескольких частей и носит комплексный характер, где присутствует доля, как опытных работ, так и расчетноаналитических.

Рассматривая детально каждую составляющую минимальнонеобходимой прибавки, следует выделить следующее:

1. Прибавка на свободу дыхания (для теплозащитной одежды может быть рассмотрена как внутренняя часть прибавки на динамику (с учетом использования современных материалов, так как теплозащитные материалы последних лет характеризуются высокой степенью сжимаемости и деформационных свойств));

2. Прибавка на динамику конструкции (для специальной одежды исходит из максимальных изменений размеров тела человека на данном участке, справочные данные) [12,13];

3. Прибавка на воздушную прослойку ( Т i с учетом удвоенного интервала безразличия для специальной одежды, справочные данные);

4. Прибавка на толщину пакета, который учитывает толщину пакета и составляет 2, где толщина пакета.

Анализ инженерных операций при работе с исходной информацией для разработки новой конструкции изделия размерных ние требуемого мас- автоматически признаков сива размерных при Работа с массивами Расчет конструк- Выполняется ема изделия, от ре- опыта консткомендаций модруктора В работе [12] целью проводимых исследований являлось создание блока САПР, который позволил бы определять припуск на толщину пакета, в зависимости от заданных условий эксплуатации изделия. При этом мы сузили зону субъективного принятия решения о величине прибавки на свободное облегание на участке конструкции до уровня определения конструктивно-декоративной прибавки, что привело к повышению доли автоматизированных операций при проектировании новой модели теплозащитной одежды на 26,6% 3.3 Геометрическая модель человека в математических моделях «Ч-О-ОС»

Анализ существующих математических моделей теплового состояния человека в условиях влияния факторов окружающей среды позволяет предположительно определить форму элементов человеческого тела, которое можно разделить на следующие участки: голова – шар; руки, ноги – цилиндры; туловище – набор эллиптических цилиндров.

Таким образом, человека можно представить в виде совокупности геометрических фигур, изображенных на рис. 3.4.

Рис. 3.4.Геометрическое формирование элементов тела человека Систематизация приведенного материала представлена в таблице. 3.4.

Модельные представления человека Модель Пальцы рук, В результате получено новое модельное описание человека, которое отличается от разработанных ранее представлений геометрическим изображением туловища. Исследование процессов теплообмена тела человека при таком подходе позволит более рационально распределить утеплитель на поверхности модели.

Аналогичным образом строится геометрическая модель женского тела. Естественно, каноническое представление не подходит для построения моделей людей с нестандартной комплекцией, как для мужчин, так и для женщин. Измененные параметры секторов туловища и гибкая система аппроксимации позволит реализовать эту возможность с применением подобных уточнённых моделей. Применение канонических модельных представлений может быть реализовано лишь для конечностей, которые имеют незначительные отличия.

Новое представление туловища человека в виде набора эллиптических цилиндров актуально и обосновано задачей несимметричности тепловых потоков с туловища человека [14].

Аналогично цилиндра с эллиптическими образующими его аналог может быть представлен в виде цилиндра, в сечение которого расположен овал, с параметрами идентичными эллипсу. Такой подход поможет избежать сложных вычислений и упростит последующую задачу обсчета тепловых потоков модели [16]. При создании овала используем метод осей и перпендикуляров, который позволяет преобразовать эллиптический цилиндр в цилиндр, основой которого является овал с аналогичными эллипсу параметрами, представленный на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Пропорциональные размеры овала представляющие сечение цилиндра туловища модели В результате проделанных вычислений необходимо получить овал, состоящий из восьми секторов по четыре сектора окружностей малого и большого радиусов.

На рис. 3.6 представлено схематичное изображение овала и все обозначения, принятые для расчетов.

При построении овала учитываем равенство следующих параметров:

Рис. 3.6. Обозначения, принятые при построении овала Также необходимо заметить, что РО2 является серединным перпендикуляром к АК, а точки О1 и О2 получены в местах пересечения перпендикуляра с осями координат.

Полученный овал состоит из набора дуг, полученных вращением: АО1 на угол 1 и ТО2 на угол 2. Нетрудно доказать, что треугольники АОС, АРМ, РМО1, РСF, РFО2, О1ОО2 подобные согласно правилу подобия прямоугольных треугольников. Отметим, что РМ является перпендикуляром к АО1.

Далее найдем длину дуги, образующую овал (см. рис. 3.6).

Найдём ТО21 и АО1, для этого определим углы 1 и 2.

Далее находим PC, PF, AM.

Для того чтобы найти АО1, необходимо найти РМ, МО1.

Из полученных уравнений находим АО Далее найдём величину ТО Площадь боковой поверхности полученной фигуры можно найти следующим образом:

Для нахождения объёма полученной фигуры необходимо найти площадь секторов, образованных вращением радиусов, за исключением большого сектора (сектор 2, см. рис. 3.7), площадь которого превосходит искомую величину.

Для малого сектора справедливо следующее:

Сектор Рис. 3.7. Цилиндр, в основе которого лежит овал, построенный методом перпендикуляров Для большого сектора находим:

где S тр – площадь треугольника, не входящая в цилиндр.

Тогда формулу объёма цилиндра можно записать в виде:

Согласно полученным данным можно создать анатомически правильный аналог геометрической модели тела человека.

3.4 Математическая модель системы «Ч-О-ОС» в условиях холода Так как цель практических работ [5,6,8,9,10,12,13] была в создании метода для применения результатов математического моделирования в процессе проектирования теплозащитной одежды для защиты от холода, то все последующие приводимые расчеты и алгоритмы направлены на практическое применение результатов и рассматриваемой работы.

Каждая часть используемой геометрической модели, представленная цилиндром или эллиптическим цилиндром, является прототипом части системы. При этом внутренне пространство каждого элемента есть однородная среда, физические характеристики которой определены в соответствии с установившимся процессом теплопередачи. Учтем также то, что температура составляющих систему в определённых условиях (постоянного внешнего воздействия) будет изменяться незначительно [12].

Математическое описание процесса формирования теплового потока значительно упростится, если, исходя из анатомической структуры тела человека и слоистой природы одежды, представим модель в виде нескольких слоёв, отвечающих определённым тканям тела и материалам одежды (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Распределение слоёв утеплителя в модели Согласно геометрическому представлению в рис. 3.8 для новой геометрической модели туловища человека можно выделить сектора цилиндрических участков, из которых состоит вся модель туловища независимо от выбранной части туловища. При этом предположим, что каждый слой обладает постоянными теплофизическими свойствами. В одежде количество слоёв примем равным одному, при этом объединив число разнородных материалов в пакете для упрощения расчетов. Таким образом, зная теплофизические свойства материалов входящих в пакет, можно будет в последствии сформировать пакет с идентичными теплозащитными свойствами.

Поставленная задача заключается в построении математических моделей простейших элементов и выявления взаимодействий между ними.

Для цилиндрических участков модели, равномерно покрытых теплоизолирующим пакетом, можно считать тепловые поля осесимметричными. Это позволит описать каждый из этих участков, используя выражение для определения количества тепла с поверхности [16,17,18]:

где i = 1,4 и соответствует порядковому номеру части тела;

Si – площадь поверхности i–го участка модели, м2;

- коэффициент теплопередачи от поверхности теплоизолирующего слоя в окружающую среду, Вт/(м2 С);

ti – температура поверхности соответствующих участков тела человека, С;

p - средняя теплопроводность пакета, Вт/(мС).

Тепловой поток с модели головы нельзя считать симметричным [12,19], так как она не полностью закрывается одеждой. Отсутствие симметрии теплового потока существенно затрудняет математическое моделирование. В решаемой задаче идеализации головы в виде шара в большей степени условна, чем представление других частей тела в виде цилиндров. Это связано с тем, что она полностью закрывается теплоизолирующим пакетом. Следует заметить, что лицо открыто, а это нарушает симметрию теплового потока с ее поверхности.

Необходимо оценить возможную погрешность, обусловленную несимметрией теплового потока. Доля площади поверхности головы во всей модели составляет 7 %. Величина теплового потока с поверхности головы при ходьбе в комфортных условиях по данным, приводимым в [12], -18,1 % от всех теплопотерь с поверхности тела человека, что составляет 23,51 Вт. Если считать, что открытая часть модели головы составляет 20 % от ее общей площади или 0,0245 м2, то можно определить величину теплопотерь с этой поверхности в окружающую среду. Если принять коэффициент теплопередачи с открытой головы равным 10 Вт/(м2 С) при температуре воздуха tв =-10С, температуру головы tr =26 С, то плотность теплового потока с поверхности головы составит Эта величина хорошо согласуется с экспериментальным результатом, приведенным в [12]: q=346 Вт/м2.

При температуре -50С плотность теплового потока с поверхности головы составит по той же формуле 760 Вт/м2. Если температура головы меньше 26С, величина плотности потока соответственно уменьшится.

Поток тепла с поверхности головы определяется как:

Если считать, что открыта при температуре -50 С одна десятая часть поверхности головы, то поток с этой части составит всего лишь 9,3 Вт. Исходя из величины теплового потока с поверхности головы в комфортных условиях 23,5 Вт [2,12], можно определить поток 1/10 части головы, который составит 2,35 Вт. Если исходить при расчете теплозащиты из того, что одежда будет, по возможности, сохранять величину потока, характерную для комфортного состояния, то отличие составит 6,95 Вт. Эта величина составляет 5, % от величины конвективно-радиационных теплопотерь, полученных в подразделе 3.1. Если считать, что голова полностью закрыта теплозащитным пакетом, погрешность составит 5,3 %. С этой погрешностью возможно рассматривать систему «модель головы – пакет – окружающая среда» с центральной симметрией. Тепловой потока в такой системе описывается выражением [12]:

Количество утеплителя на голове человека предлагается находить из (3.26) и учитывать его после всех расчетов и оптимизации, так как тепловое состояние головы человека является одним из самых критических, и впоследствии может сказаться рядом заболеваний, трудно поддающихся лечению. Рассчитанное количество утеплителя подтверждено практикой и работами Бринка И.Ю.

[11,12,13].

На основании формулы (3.24) суммарное количество тепла с поверхности одного из эллиптических цилиндров можно описать выражениями:

где первое выражение описывает поток тепла спереди туловища, а второе соответственно сзади;

al1,al2 – длины дуг, описывающих эллиптический сектор спереди и сзади;

ri1, ri 2 – эквивалентные радиусы дуг, составляющих эллиптический цилиндр, м;

xi1,xi2 – толщины пакета утеплителя (утепляющего материала), м.

Таким образом, процесс теплообмена человека с окружающей средой можно разбить на ряд видов: между конечностями и окружающей средой; между головой и окружающей средой; между туловищем человека и окружающей средой.

Первые два вида достаточно подробно рассмотрены в работах [12,13], где используется классический в данном вопросе подход к геометрическому представлению элементов тела человека.

В нашем случае уравнение полного количества тепла с тела человека будет иметь вид:

где Q max– величина теплового потока с поверхности модели, Вт.

Решение задачи сводится к нахождению такого сочетания толщины пакета на отдельных участках модели, которая реализует минимум потока тепла с ее поверхности при ограничении на объем массы пакета. В классическом подходе такое уравнение нормировки по массе утеплителя учитывает толщину утеплителя не только на голове испытуемого, но и постоянную толщину для всего туловища. Выражение под знаком суммы описывает объем цилиндрического слоя изоляции толщиной i окружающей цилиндрическую поверхность радиусом ri и площадью Si. Поскольку заданным является ограничение по массе для комплекта снаряжения, то будем использовать подобный вариант нормировки.

Следующее выражение удобно для упрощения расчетов:

слоя, м3.

Математическая модель должна учитывать геометрические параметры тела и топографию температуры кожи, поэтому распределение толщин по элементам модели будем считать пропорциональным площади данного элемента:

Здесь и далее xij, ij обозначают искомые толщины слоёв утеплителя, применяемого в модели. При заданных температурах участков тела вышеописанные соотношения и представляют математическую модель теплообмена системы «Ч-О-С». Количество тепла с тела человека можно описать следующими уравнениями:

Полученные уравнения позволяют определить необходимое количество утеплителя (изолятора) для эффективной защиты людей в условиях агрессивного воздействия температур.

Определение минимума потока Qmax (3.28) с ограничением (3.29) возможно методом множителей Лагранжа [17] для нахождения точек условного экстремума функции.

Зная объём утеплителя, а также количество утеплителя необходимого на каждом участке модели, с учетом последней системы уравнений требуется найти такое распределение утеплителя по поверхности модели, чтобы суммарное его количество было равно заданному, а поток тепла с каждого элемента системы был минимален. В нашей оптимизационной математической модели критерием распределения утеплителя является уравнение (3.28). Ограничением является уравнение (3.29), где толщины, полученные в результате расчетов, должны быть больше нуля.

Используя метод неопределённых множителей Лагранжа [17], получим выражение функции Лагранжа (30).

Составляем систему уравнений:

L L L L L L

Задача отыскания экстремума сводится к решению системы нелинейных уравнений относительно неизвестных ij, i= 2,7, j=1,2 и k множителя Лагранжа.

Для решения системы нелинейных уравнений было решено применить метод Ньютона, так как из практики и из предыдущих исследований [16,17] известны достаточно хорошие начальные приближения к решению системы уравнений при любых внешних температурных воздействиях. Таким образом, в окрестности имеющегося приближения на i-м шаге, заменяем задачу на некоторую вспомогательную линейную. При этом нужно учесть, чтобы погрешность замены имела более высокий порядок малости, чем первая, в окрестности имеющегося приближения. За следующее приближение выбираем решение этой вспомогательной задачи. Таким образом, на каждом последующем шаге определяем:

Критерием остановки при решении данной задачи, будет являться соотношение следующего значения вектора решения с новыми значениями функции и относительной, абсолютной погрешностями:

где reltol – значение относительной погрешности, abstol – значение абсолютной погрешности, corfaci – значение отношения старого значения функции к его производной, xinew – новое решение.

Математическая оптимизационная модель с использованием ЭВМ, позволяет получить основные параметры, характеризующие стационарный теплообмен системы «человек – одежда – окружающая среда», а также толщину теплоизолирующего пакета.

Данная математическая модель была проверена при помощи имитационного моделирования туловища человека, которое имеет сложную многослойную структуру и центры выделения тепла в виде теплотворных органов и центральных слоёв – «ядра».

Учитывая то, что поперечное сечение модели туловища человека представлено в виде последовательности слоев на плоскости («ядро», «мышцы», «жир», «кожа»), где в рамках слоя «ядро» подразумевается наличие внутренних органов, будем полагать, что в различных местах, в зависимости от расположения конкретных органов туловища, температурные показатели системы различны (рис. 3.9) Области теплового воздействия внут- ренних Рис. 3.9. Структура модели туловища человека с внутренним расположением теплотворных органов Согласно [19,20,21,22] реальное расположение органов в туловище по высоте h можно выразить соотношением:

где h – высота всего туловища человека в представленной модели; % – высота нижнего сектора; 11 % – высота сектора представляющего почки (часть печени тоже входит в этот цилиндр по всей высоте); % – высота сектора, в котором расположена печень; 16 % – высота сектора, в котором непосредственно присутствует сердце; 16 % – высота верхнего сектора грудной клетки.

Исследовав образовавшуюся структуру внутреннего строения туловища с точки зрения его теплового состояния, были получены несколько горизонтальных срезов на модели второго уровня, которые с помощью дискретной модели теплообмена системы методом БубноваГалеркина с использованием конечно-элементного базиса метода конечных элементов были проверены с целью исследования распределения тепла внутри и на поверхности тела человека.

Математическая модель реализована на языке внутреннего представления алгоритмов «Maple» для машин с процессором «Pentium 3» или аналогичным. Программа портирована на язык высокого уровня «С++» и выполнена в виде отдельно запускающегося файла с набором библиотек. Программе присвоено название «Расчет теплового поля тела человека на плоскости».

Рис. 3.10. Модель туловища человека из пяти сегментов Для проверки результатов расчетов, полученных на математической модели первого уровня, были проведены расчеты температурного поля туловища человека на модели второго уровня.

Исходными параметрами для расчетов были взяты:

- геометрические параметры модели и координаты размещения внутренних теплотворных органов;

- количество тепла, вырабатываемое внутренними слоями туловища и органами, а также тепловые параметры всех слоёв, составляющих туловище;

- параметры используемого утеплителя и его толщина (согласно методике главы 2 для температуры воздуха -10°С);

- температура окружающей среды -10°С.

Последовательно были рассчитаны пять сечений на каждом из пяти участков модели туловища (рис. 3.10).

Согласно с данными из главы 2 высота всего туловища принята 0.677 м. Уровни срезов с размещенными органами будут: сердце (0. м, отсчет с нижней части модели, рис. 3.10); печень (0.45 м, рис. 3.10);

почки и печень одновременно (0.24 м, рис. 3.10). Оставшиеся срезы проходят на уровнях: плечи (0.65 м); низ бедра (0.1 м).

Для проверки результатов математического моделирования были проведены натурные эксперименты.

Сравнение результатов математического моделирования на уровне расположения сердца и экспериментально полученных данных Отклонение расчетного значения от экспериментального в точке №3 (см. табл. 3.5) связано с неплотным прилеганием датчика измерения к поверхности кожи. Остальные отклонения вызваны погрешностью измерений и допущениями при создании математической и геометрической модели туловища человека. Разработанное оборудование и программное обеспечение позволяют зафиксировать температуру на поверхности тела человека, при помощи датчиков температур, размещенных при помощи 5-ти точечного метода [2].

также соответствующие температуры, заданные в качестве базовых в оптимизационной модели и полученные в результате моделирования на имитационной модели представлены на рис. 3.11.

Температура, 0С Рис. 3.11. Соотношение результатов оптимизационного моделирования, имитационного и экспериментальных значений Оценив данные, полученные для других секторов, можно сделать следующие выводы. Имитационная модель подтвердила результаты математического моделирования, полученные на оптимизационной модели. Следовательно, оптимизационная модель может быть применена для расчета параметров одежды в среднем диапазоне температур.

3.5 Применение результатов математического моделирования в САПР теплозащитной одежды Учитывая полученные результаты аналитических исследований, выполненных Бринк И.Ю. [12], для дальнейших разработок была выбрана методика конструирования ЕМКО СЭВ. В основе расчета и формирования конструктивных переменных лежит информации о наиболее влияющих элементах на прибавку на свободное облегание ( П i ) для всех участков модели.

Для бытовой одежды минимально необходимый припуск к полуобхвату груди можно найти, исходя из изменения этого размерного признака при глубоком вдохе:

где d16 - динамический эффект обхвата груди третьего слоя при дыхании;

T16 -интервал безразличия по этому размерному признаку;

П т.м2. - припуск на толщину пакета материалов второго слоя;

П в.п. - припуск на толщину воздушной прослойки.

При проектировании специальной теплозащитной одежды, пакет материалов составлен из комплекта материалов: верха, подкладки, утепляющей прокладки в сочетании с воздушными прослойками внутри пакета, что позволяет рассматривать П в.п. как составляющую П т.п. (общего теплозащитного пакета).

Габаритные размеры конструкции, которая будет обеспечивать соразмерность и теплозащиту при максимальных динамических эффектах, с учетом удвоенного интервала безразличия могут быть рассчитаны на основе минимально необходимой прибавки по формуле (33), которая может быть преобразована и рассчитана следующим образом:

где d i - динамический эффект для участка конструкции;

Т i - интервал безразличия по этому размерному признаку;

П т.м. - припуск на толщину пакета утеплителя.

Для получения данных о величинах межразмерных интервалов на участках, определенных математическим моделированием системы, были выделены следующие размерные признаки обхватов: груди, бедер, плеча, бедра, икры. Значения Т i, были определены по данным из источника [13]. Таким образом, перечисленные размерные признаки позволяют построить не только куртки из стандартных комплектов специальной теплозащитной одежды, но и брюки, комбинезоны.

Среди принятых к проектированию динамических эффектов для комплексных расчетов на базе математической модели теплообмена в рассмотренных литературных источниках [2,11,12,13], не выделены динамические эффекты таких размерных признаков, как обхват бедра и икры, которые необходимы для проектирования брюк.

Используя данные таблиц [13,14,19,20,23,24], а также систематизированные данные по результатам аналитических и экспериментальных исследований можно создать методику расчета динамической прибавки на свободное облегание (см. табл. 3.6.).

Таким образом, из данных таблицы 3.6 искомой является величина прибавки на толщину пакета материалов, которая должна быть рассчитана в рамках специализированного блока САПР теплозащитной одежды на основе разработанной математической модели системы «человек - одежда - окружающая среда». Получив эти данные, конструктор может непосредственно приступать к определению декоративных прибавок, не затрачивая время на расчет необходимого значения прибавок для необходимого условия эксплуатации теплозащитного изделия.

Расчет динамической прибавки на свободное облегание Для решения поставленной задачи на основе использования математических положений, представленных выше, был разработан алгоритм автоматизации процесса расчета прибавки на толщину пакета материалов и, соответственно, полной конструктивной прибавки на свободное облегание к участку конструкции. Все языковые конструкции были портированы в среду визуальной разработки «Borland С Builder 5.0». Общий алгоритм работы представлен на рис. 3.12.

Установка и настройка температур модели (на частях тела человека и окр. среды) Определение теплового состояния Установка параметров материала Рис. 3.12. Главный алгоритм программного обеспечения расчета Реализация математической модели 2-го уровня позволяет с учетом асимметричной топографии теплопродукции человека рассчитать конструктивные данные, необходимые для проектирования теплозащитного костюма. С этой целью было разработано программное обеспечение по реализации данной модели, рабочий интерфейс которой представлен на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Рабочий интерфейс программы расчета параметров Для реализации программного обеспечения был использован математический аппарат символьного решения задач – «Maple 7.0».

Исходными данными для программного блока проектирования являются: геометрические параметры туловища человека, материал, из которого будет создано изделие, климатические условия окружающей среды (скорость ветра, температура окружающей среды), в которой предполагается эксплуатация новой модели теплозащитной одежды, вид выполняемых работ, учитывающий соответственные энергозатраты человека, что является непосредственным показателем для расчета параметров теплоизоляционных слоев. Выходными данными рабочего блока данной программы является перечень значений конструктивных прибавок, используемым в дальнейшем для автоматизированного проектирования одежды.

Корреляционная связь конструктивных переменных участков Обозначение Корреляционная к конструк- конструктивных Участок конструкции тивному переменных участку Х15 0.43*(Х8+Х6+Х7) В результате математического моделирования системы появляется возможность получить значения габаритных прибавок, которые являются базовыми для получения ряда производных конструктивных переменных, определяющих габариты и контуры деталей конструкции [23,24,25]. Для получения коэффициентов корреляции в чертеже конструкции между базовыми и требуемыми производными величинами прибавок были проведены дополнительные исследования. С этой целью изучены пропорции конструктивных участков чертежей изделий рассматриваемого ассортимента, ранее проверенные на предмет статического и общего динамического соответствия типовой фигуре, соответствующей проектируемому размеру. На первом этапе подлежали обмеру 10 конструкций одежды, в результате чего была выявлена ошибка измерений, m x, превышающая установленную величину допускаем погрешности инженерных замеров, = 0,5 мм. На основе этого был рассчитан объем достоверной выборки, которую составили описанные выше типы конструкций мужских курток, равный 28 измерениям.

В результате измерений основных участков построения (определяемых методикой ЕМКО СЭВ) были определены коэффициенты корреляции конструктивных переменных по данным участкам, представленные в таблице 3.7. Соотношение прибавок к конструктивным участкам, характерным для чертежей верхней одежды, с принятыми конструктивными переменными для дальнейших расчетов, представлено в таблице 3.7.

Рис. 3.14. Диалоговое окно программы с готовыми результатами На рис. 3.14 представлен интерфейс рабочего блока получения выходных результатов расчета конструктивных исходных данных на основе математического моделирования системы «человек - одежда окружающая среда».

Вместе с установкой температурных значений в математическую модель вводятся значения, позволяющие определить тепловое состояние человека и параметры утеплителя, используемого в проектируемой конструкции (рис. 3.15). Перечислены основные параметры модели при расчете температурного поля. Пользователем указываются параметры и характеристики окружающей среды, теплофизические свойства материала, который планируется применить для данных условий, а также вид деятельности человека, его тепловые потери и дополнительные параметры, такие как вес, средняя температура кожи (автоматически) и другие.

Рис. 3.15. Диалоговое окно программы для установки тепловых параметров модели и характеристик утепляющего материала При расчете используются не только вид работы человека, но и его вес, скорость ветра и часы пребывания в рассматриваемых условиях.

В результате моделирования конструктор получает значения прибавок, необходимых для построения новой модели. Данные значения могут быть использованы в любой методике проектирования одежды, а значит и в любом программном комплексе САПР одежды.

Используя полученные конструктивные переменные как исходную информацию для САПР теплозащитной одежды, разработана защитная куртка, предназначенная в зависимости от установленных параметров конструкции для эксплуатации при следующих значениях температуры:

-50°С, -20°С и 0°С. Величина Х12 может быть изменена в зависимости от желаемой длины модели. Эскиз специальной куртки представлен на рис. 3.16, а эскиз проектируемой модели полукомбинезона на рис. 3.17.

При разработке конструкций изделий была использована САПР одежды «Novo-cut» немецкого производителя. Все номера определены согласно с САПР «Novo-cut», однако привязка параметров к ЕМКО СЭВ позволяет применить полученные значения и в других САПР, использующих подобные методы проектирования изделия.

Рис. 3.16. Эскиз теплозащитной куртки Рис. 3.17. Эскиз теплозащитного полукомбинезона Рис. 3.18. Базовая основа конструкции куртки специальной Для представленной модели куртки были разработаны конструкции 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 конструкции проектируемой модели, представленный на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Чертеж модельной конструкции проектируемой теплозащитной куртки (для температуры окружающей среды -50 0С).

Разработанное изделие, предназначенное для определенных условий эксплуатации, должно обладать защитными характеристиками, обеспечивающими комфортное состояние человека в зоне критических температур. Для оценки гигиенического соответствия полученных проектных решений и для проверки адекватности разработанной математической модели требуется определить способ проверки защитных свойств изделий.

С целью решения поставленной задачи был разработан специальный измерительно-расчетный комплекс «ИРК-5» для исследования специальной одежды на предмет тепловой защиты человека от воздействия температурных факторов окружающей среды [2,34,36,37], который позволяет проводить испытания образцов изделий рассматриваемого 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 дальнейших исследований, которые необходимо проводить в натурных условиях, приближенных к реальным прогнозируемым условиям эксплуатации.

Интерфейс программы представлен на рис. 3.20.

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

Комплекс «ИРК-5» представляет собой аппаратуру, фиксирующую и передающую на компьютер данные, а также сам компьютер с разработанным программным обеспечением. Датчики температуры размещаются на теле человека и в окружающей среде. Показания, 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 отправляются в компьютер, используя интерфейс RS-232 (коммутационный порт).

Эксперименты могут проводиться в условиях с широким диапазоном 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 моделирования не адаптированы к непосредственному формальному применению в системах автоматизированного проектирования одежды. Это приводит к тому, что конструктор вынужден задавать исходные данные для конструирования на основании своего опыта, интуиции и субъективного 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 для имитационной модели. Такое представление туловища в большей степени отвечает антропометрии человека.

Разработана оптимизационная математическая модель теплообмена системы «Ч-О-С», которая позволяет минимизировать количество тепла с поверхности модели тела человека, при заданном объеме утеплителя оптимально распределить его толщину на разных участках модели. Разработана имитационная модель теплообмена между туловищем человека и окружающей средой. Впервые сравнены между собой результаты оптимизационного и имитационного математического моделирования системы «Ч-О-С», а затем проверены на натурных исследованиях [38,39,40,41].

Разработана методика и программное обеспечение для измерительно-расчетного комплекса «ИРК-5», применяемого для оценки теплового состояния человека в реальном времени. При помощи комплекса получены динамические параметры поверхностных температур человека, контроль теплонакопления, теплосодержания и дефицита тепла человека во время испытаний [39,40,42,43,44].

Проведенные разработки и исследования позволили сделать следующие выводы:

С целью повышения качества проектирования теплозащитной были проведены исследования и разработаны оптимизационная и имитационная математические модели системы ««Ч-О-С».

Определено, что для оптимизационных моделей целесообразно представлять туловище в виде цилиндра с сечением овал (набор секторов окружностей), так как это может свести решение уравнений теплопередачи к осесимметричным. Для имитационных моделей целесообразней представлять туловище в виде цилиндра с эллиптическим сечением, так как это позволяет удовлетворить требованиям непрерывности граничных условий и упрощает генерацию модели сечения туловища человека. Такой подход позволяет повысить точность расчетов тепловых потоков с поверхности туловища человека.

Проведённый анализ результатов математического моделирования и сравнение с экспериментальными данными показал адекватность тепловых полей моделей реальным процессам системы «ЧО-С», что дало возможность использовать результаты оптимизационного математического моделирования для САПР одежды.

Разработана методика и программный модуль автоматизированного расчета коэффициентов на свободу облегания конструкции изделия и необходимой толщины материала. Уменьшение количества конечных элементов в сечении в рамках математической модели более чем в 16 раз приводит к существенному увеличению скорости работы программы. Универсальность выходных параметров расчетного модуля позволили применить его в современной методике проектирования одежды и интегрировать в САПР одежды «Novo-cut» [44,45].

На базе разработанной методики расчета параметров теплозащитной конструкции было разработано программное обеспечение, при помощи которого разработана в САПР «Novo-cut» конструкция специального теплозащитного костюма.

Создана и экспериментально проверена в условиях термокамеры 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.

Прогнозирование зависимости теплозащитных свойств пакетов Существующие методы конструирования пакетов материалов не отвечают современным требованиям. Они построены на субъективной оценке условий труда и связаны с произвольным выбором состава пакета. В лучшем случае пакеты экспериментально проверяются по их теплопроводности, т.е. термическому сопротивлению Rп=, П (м2·К)/Вт. При таком подходе к конструированию одежды и обуви из рассмотрения выпадают важные вопросы (температурные условия, энергозатраты, ветровые нагрузки, режимы труда и отдыха, воздушные прослойки удельные нагрузки на пакет, влияние влагопотерь человека на теплозащитные свойства и т.д.). Представляется более правильным решать обратную задачу, т.е. определять термическое сопротивление пакета, обеспечивающего достижение комфортных условий труда по заданным исходным данным. Большие возможности в этом направлении открывает вычислительный эксперимент (математическое моделирование), который позволяет с помощью ЭВМ изучить модель явления.

Для математического моделирования (рис. 4.1) использованы зависимости:

где: Кп – коэффициент теплопередачи через систему пакета, Вт/(м2·К);

р.c; – коэффициент радиационной теплоотдачи по горячей и хоp.x лодной сторонам пакета, Вт/(м2·К);

(с – свободная конвекция, в – вынужденная), Вт/(м2·К);

r ; 1 ; z – степень черноты горячей поверхности (кожи), внутренней и лицевой поверхности пакета;

Tr; T1; Tz; Tx – температура горячей поверхности внутренней и лицевой поверхности пакета и окружающего воздуха, К;

Tr = Tr T1 ; Tx = Tz Tx – разность температур, К;

п ; в.r ; в. x – коэффициент теплопроводности пакета материалов. воздуха в межодежном (межобувном) пространстве и со стороны лицевой поверхности (окружающая среда), Вт/(м·К);

в.r ; в. x – коэффициент кинематической вязкости, м /с;

п ; в. r – толщина пакета и слоя воздуха в межодежном пространстве, hx(dэ.x) – характерный размер, м;

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

x – скорость потока воздуха, м/с;

qсв.к – средневзвешенный тепловой поток с поверхности кожи, Вт/м2.

Формулы (4.6) и (4.7) используются соответственно (GrPr) в.x=103109 и (СгРг) в.x109, а формулы (4.8) и (4.9) – Rех2·105 и Rех2·105.

Программа расчета на ЭВМ написана на алгоритмическом языке РL 1/L и реализована в системе ОС-ЕС. При расчете искомой температуры Tг используется итерационный метод. Коэффициенты теплопроводности, кинематической вязкости и критерий Прандтля воздуха в зависимости от температуры аппроксимированы линейными уравнениями.

Исходными данными для первого расчета являются: г, 1, z, в.г, Тг, Tх, tr, tx, hх (dэ.х), х и qсв.к.. В результате расчета при принятой величине Rп.1 получаются значения Тr.1, Т1.1, Тz.1 (формулы (4.2) — (4.4)}, которые определяют разности температур tr 1, tx 1.По найденным Тr.1, Т1.1, Тz.1, tr 1,tx 1 выполняется второй расчет. Полученные значения Тr.2, Т1.2, Тz.2, tr 2, tx используются для третьего расчета и т. д. Количество последовательных приближений определяется заданной точностью расчета величины Тr.i например, различие между значениями Тr.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 Rп2, Rп3, … Rп n, где соответствующие им температуры Tr i Результаты расчетов приведены на рис.4.1. Искомое значение Rп и находится по точкам пересечения верхней и нижней границ средневзвешенной температуры кожи в термическом комфорте с зависимостью Trij = f(Rg1) Термический комфорт определяется уровнем энергозатрат, а следовательно, и соответствующим значением qсв.к [1, 2].

Рис. 4.1. Система обозначений тепловых потоков, температур и геометрических параметров пакетов материалов искомого значения термического диаграмма зависимости Rп и сопротивления пакета Rп и по от различных значений qсв.к, tx, x Полученное значение Rп и является основой для разработки вариантов пакетов одежды (обуви). Сочетание метода прогнозирования с экспериментальными исследованиями теплофизических свойств пакетов в воздушно-сухом состоянии и в динамике влагопоглощения позволит получить более обоснованное и качественное решение.

Анализ результатов расчета на ЭВМ (исходные данные:

г=1=z=0,90; в.г=5- установить ряд закономерностей.

1. Важнейшим фактором, определяющим искомое значение Rп является вид выполняемой трудовой деятельности (энергозатраты qэ.3), так как qсв.к. = f(qэ.3).

2. Получен линейный характер зависимости Rп и = f(tx). На величину Rп и (кроме tx) значительно влияет и скорость воздуха х, обтекающего лицевую поверхность одежды (обуви). С увеличением х растет и необходимое значение Rп и.

3. Разработанная математическая модель по прогнозированию величины Rп и является универсальной. При необходимости она может быть уточнена и перестроена. Если на первой стадии исследуется влияние важнейших факторов на Rп и (qэ.3, qсв.к., tx, х) то на второй – решение уточняется для действительных значений (г, 1, z), различных толщин воздушных прослоек (в.г) и размеров (hx, dэ.х.).

4.1 Оценка нестационарных влаго- и теплообменных процессов в пакетах обувных материалов В основе метода лежат экспериментальные данные по влагопоглощению (кривые сорбции) и соответствующие им теплофизические характеристики исследуемого пакета (слоя) материалов. Расчет включает определение предельного времени комфортности по условиям влагопоглощения вл и теплообмена т. Известны и другие направления решения рассматриваемой задачи [1].

Значение этих вопросов возросло в связи с широким использованием в обувном производстве искусственных и синтетических материалов, имеющих специфические свойства, влияющие на влагообмен между стопой и обувью.

Допущения: пакет материалов представляем в виде эквивалентной системы, состоящей из одного условного слоя (рис. 4.4); водяной пар (влага), выделяемый стопой, через воздушный слой равномерно подводится к внутренней поверхности пакета материалов; воздушная прослойка со стороны стопы имеет постоянную относительную влажность в и дополнительного количества влаги не воспринимает (Мв = 0).

Рис. 4.4. Система обозначений тепловых потоков, температур и геометрических параметров пакетов материалов Комфортность по влагопоглощению будет существовать, если выполняется условие где вл – расчетное время комфортной носки изделия по условиям влагопоглощения, с;

Мс.п. – количество водяного пара, подводимого стопой в единицу времени к внутренней поверхности пакета, кг/с;

Мп – количество влаги, воспринятой пакетом материалов за время пр (продолжительность процесса влагопоглощения на всю толщину пакета, с), кг;

Мвд – количество водяного пара, отводимого с лицевой поверхности пакета в окружающую среду, кг.

Величины Мсп и Мвд определяются по формулам где Fс – площадь поверхности стопы, м2;

Мп – количество водяного пара, выделяемого поверхностью стопы в единицу времени (принимается по опытным данным работы [2] в зависимости от времени года и выполняемой работы), кг/с;

Mвд – расчетная плотность потока массы водяного пара, удаляемого с лицевой поверхности пакета в окружающую среду, кг/(м2·с).

Из условия равенства правой и левой частей формулы (4.10) находим Неизвестными в формуле (4.12) являются Мп, пр, вл (см. формулы (4.13), (4.15), (4.17).

Применительно к пакету материалов (рис. 4.4) диффузионный процесс переноса влаги можно определить по формуле где Dп – эквивалентный коэффициент диффузии водяного пара (влаги) через пакет материалов, м2/с;

Рп1 = Рп1 – Рпz – разность парциальных давлений водяного пара на границах пакета, Н/м2;

п – толщина пакета, м;

R – газовая постоянная водяного пара, Дж/кг·К;

Рис. 4.5. К определению эквивалентного коэффициента диффузии водяного пара (влаги) через пакет материалов (кривая сорбции), где Pп1= f (tв), Pпz= f (tв0) — давление насыщения, соответствующее температуре влажного воздуха, Н/м2.

Выражение (4.13) приводится к виду Рис. 4.6. Зависимость коэффициента теплопроводности пi и объемной теплоемкости Сопi (пакета материалов от его относительной влажности i (продолжительности процесса сорбции i) Время сорбционного процесса влагопоглощения вычисляется по зависимости Формула(4.15) получена из условия, что водяной пар (влага) движется через пакет материалов со средней линейной скоростью, м/с, В формуле (4.15) не учитывается диффузия водяного пара в воздушной прослойке межобувного пространства Dв. По сравнению со значениями Dп обувных материалов [3] величина Dв оказывается на несколько порядков выше, а поэтому сорбционные процессы в воздушной прослойке не будут существенно влиять на влагопоглощение.

Расчетная величина коэффициента диффузии Dп вычисляется по половинному времени кривых сорбции (рис. 4.5) [3], т.е.

где 0,5 — половинное время процесса сорбции, т. е. время, необходимое для поглощения пакетом материалов количества водяного пара (влаги) Мi=0.5 М, с.

Теплофизические исследования проводятся по методу двух темпе-ратурно-временных интервалов [4] при одинаковых направлениях теплового потока и диффузионных процессов переноса водяного пара (влаги).

Количество влаги Мi, воспринятое пакетом материалов за промежуток времени i, вычисляется по формуле где Мп i — масса пакета (слоя) в процессе его увлажнения, кг;

Мв.с. — масса пакета (слоя) материалов при нормальном воздушном состоянии, кг;

i — относительная влажность пакета (слоя), соответствующая времени сорбции i.

Величина mв.д. определяется по половинному времени процесса сорбции mв.д.i = f (i) (внешняя диффузия) по аналогии (рис. 4.4), где Баланс тепла, определяющий комфортные теплоощущения, можно выразить равенством где qс.п. — плотность теплового потока, передаваемого стопой пакету, Вт/м2, qп. — плотность теплового потока, проходящего через пакет, Вт/м2;

qв.д. — плотность теплового потока, отводимого водяным паром в окружающую среду с лицевой поверхности пакета, Вт/м2;

qа.п. — количество тепла, аккумулируемого пакетом, Дж/м2;

т — расчетное время, обеспечивающее соблюдение комфортных условий по теплообмену, с.

Из зависимости (4.19) получаем Здесь приняты такие обозначения:

сп, п — теплоемкость, Дж/(кг-К), и плотность, кг/м3, пакета материалов;

qс — плотность теплового потока, выделяемого стопой (принимается по опытным данным в зависимости от времени года и выполняемой работы), Вт/м2;

Кп — коэффициент теплопередачи от стопы к окружающему воздуху, Вт/(м2·К);

r, x — коэффициенты теплоотдачи со стороны стопы к пакету r=Р.r + к.r) и от его лицевой поверхности к окружающему воздуху x=Р.x+ к.x) Вт/(м2·К);

tr = tc, tx = tв0 — температура среды в межобувном пространстве и со стороны лицевой поверхности пакета (окружающий воздух), °С;

t1, tz — температура внутренней и лицевой поверхности пакета, °С;

t0 — начальная температура пакета при его относительной влажности = в.с., °С;

i — энтальпия водяного пара во влажном воздухе, Дж/кг.

Все величины, входящие в формулу (4.20), являются переменными, так как зависят от влажности пакета.

Радиационные коэффициенты теплоотдачи в межобувном пространстве Р.r и от лицевой поверхности пакета в окружающую среду Р.x вычисляются по формулам где пр — приведенная степень черноты системы в межобувном пространстве;

z — степень черноты лицевой поверхности материала пакета (для теплового излучения воздух можно считать практически прозрачным).

Коэффициенты конвективной теплоотдачи вычисляются соответственно где к = (Gr Pr) 0,25.

При 10 -3 (Gr Pr) во 510 2 к.х = 1,18 ВО (Gr Pr) во1/8.

При 10 3 (Gr Pr) во 510 8 к.х = 0,5 ВО (Gr Pr) во1/4.

ляется наиболее важным параметром, определяющим тепло- и влагообменные свойства системы. Влияние влажности на величину Rпр проявляется различно и зависит от индивидуальных свойств обувных материалов и влагопоглощения как в количественном, так и во временном отношениях [5].

Предельные значения объемной теплоемкости Cопр = (спп)пр и коэффициента теплопроводности пр определяются по данным теплофизических испытаний пакета материалов (рис. 3) по величине пр, соответствующей времени влагопоглощения на всю толщину пакета пр (8).

В оптимальном варианте решения задачи значения r и вл желательно иметь одинаковыми. В противном случае эффективность исследуемой системы (пакет, слой) по комфорту должна оцениваться по наименьшей величине.

4.2 Разработка математической модели шкалы комфортности зимней обуви Комфортность обуви в достаточной степени можно оценивать параметрами внутриобувного воздуха – температурой (t) и относительной влажностью (), которые, являясь физиологическими критериями, изменяются при воздействии механических, гигротермических и токсикологических факторов.

При современном уровне техники относительная влажность и температура воздуха во внутриобувном пространстве доступны инструментальному измерению и, следовательно, могут быть использованы для объективной оценки комфортности обуви.

Измерение параметров внутриобувного микроклимата проводили с помощью аппаратуры на интегральных микросхемах, разработанной на кафедре товароведения непродовольственных товаров Санкт-Петербургского института торговли. Для исследования были выбраны 45 пар зимней обуви рантоклеевого метода крепления производства Тбилисского ПОО «Исани».

Для изготовления опытной партии были использованы различные материалы:

- для верха обуви - кожа хромового дубления, а также СК-8 и СКэластичная;

- для подкладки - искусственный мех, полушерстяная байка и трикотажное полотно, дублированное поролоном.

Опытную носку и экспериментальные исследования в климатической камере при отрицательных температурах было предложено проводить круглогодично. Исследования проводили как на улице, так и в широкодиапазонном шкафу типа ШКШ-1,5 В. Рабочая площадь камеры 1,5 м2 ; высота 1,5; диапазон температур -20...+40°С, колебания температуры - не более ±0,5°С.

В ходе отработки методики решены вопросы о месте расположения датчика в обуви, а также режиме и минимальной продолжительности носки. Установлено, что конечные величины t и во внутриобувном пространстве (в носочной, пяточной области и области голени) практически одинаковы, поэтому местом расположения датчиков была выбрана область голени, как наиболее свободная. Установлено, что максимальная температура во внутриобувном пространстве стабилизируется через 2-2,5 ч, а максимальная величина влажности через 3-3,5 ч эксплуатации. Поэтому режим опытной носки, с учетом реальных условий эксплуатации зимней обуви, был выбран следующий: 1,5 ч непрерывной носки + 1 ч на улице (или в климатической камере) + 1,5 ч в помещении с интервалами измерения 30 мин.

Такой режим опытной носки (по мнению авторов) соответствует реальным условиям эксплуатации зимней обуви (поскольку человек во время эксплуатации обуви находится как на улице, так и в помещении).

Для определения минимального количества измерений N было решено исследовать один из образцов - обувь с заготовкой верха из натуральной кожи и подкладкой из искусственного меха в течение дней (то есть среднего гарантийного срока носки), после чего по средним величинам температуры и относительной влажности было определено минимально необходимое число наблюдений для получения статистически обоснованных результатов с доверительной вероятностью Р = 0,95. В результате расчета N - оказалось равным 12, поэтому для характеристики комфортности обуви все последующие исследования проводили 12 раз (по одному измерению в день). С помощью математико-статистической обработки около экспериментальных данных на ЭВМ были рассчитаны средние арифметические значения t и внутриобувного микроклимата и проведен их дисперсионный анализ.

Оценка комфортности зимней обуви (мужские утепленные ботинки рантоклеевого метода крепления на подошве из пористой резины) в процессе ее эксплуатации при t = -10°С представлена в таблице 4.1.

Оценка комфортности зимней обуви в процессе Математическое преобразование экспериментальных данных t и на ЭВМ показало, что участки роста показателей t и в помещении в начальный и конечный периоды эксплуатации имеют одинаковый характер (возрастание) и описываются уравнением арктангенса, участки падения температуры (эксплуатация на улице и в климатической камере) и влажности (эксплуатация на улице) описываются уравнением первой степени, а участки изменения влажности в климатической камере - уравнением второй степени.

С помощью статистической обработки экспериментальных данных получены коэффициенты корреляции и уравнения регрессии между данными эксплуатации на улице и в климатической камере.

Отметим, что коэффициент корреляции для температуры равен 0,999, а для относительной влажности 0,925.

При разработке математической модели шкалы комфортности зимней обуви полагали, что уровень комфортности обуви характеризуется в достаточной мере температурой (t) и относительной влажностью () внутриобувного воздуха. Это дало возможность оценить уровень комфортности обуви по обобщенному критерию комфортности В (t, ).

Для определения уровня комфортности зимней обуви авторы предлагают шкалу комфортности, характеризующуюся интервалами 0D (t, )1 и разделенную на четыре уровня: малокомфортный, среднекомфортный, комфортный, особо-комфортный.

Таким образом, разработанный обобщенный критерий и шкала комфортности позволяют наиболее объективно оценить уровень комфортности обуви по показателям температуры и относительной влажности внутриобувного пространства и могут быть использованы для сравнительной оценки качества (комфортности) обуви с деталями верха из различных материалов.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |
 
Похожие работы:

«С. В. РЯЗАНОВА АРХАИЧЕСКИЕ МИФОЛОГЕМЫ В ПОЛИТИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ СОВРЕМЕННОСТИ ББК 86.2 УДК 2-67 + 29 Рецензенты: д-р филос. наук, проф., зав. каф. философии и права Перм. гос. тех. ун-та С. С. Рочев; каф. культурологи Перм. гос. ин-та искусств и культуры Р 99 Рязанова С. В. Архаические мифологемы в политическом пространстве современности: монография. / С. В. Рязанова; Перм. гос. ун-т. – Пермь, 2009. – 238 с. ISBN В монографии рассматриваются проблемы присутствия архаического компонента в...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАФИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ЭКОНОМИКИ, СТАТИСТИКИ И ИНФОРМАТИКИ (МЭСИ) КАФЕДРА НАЛОГОВ И НАЛОГООБЛОЖЕНИЯ КОЛЛЕКТИВНАЯ МОНОГРАФИЯ ПРОБЛЕМЫ НАЛОГОВОГО АДМИНИСТРИРОВАНИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Монография Москва, 2012 1 УДК 336.22 ББК 65.261 П 781 Бутенко Л.А., Курочкина И.П., Минашкин В.Г., Солярик М.А., Шувалов А.Е., Шувалова Е.Б. Проблемы налогового администрирования в Российской Федерации: монография / под ред. д.э.н., проф....»

«МИНИСТЕРСТВО СПОРТА, ТУРИЗМА И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ Н.Н.Сентябрев, В.В.Караулов, В.С.Кайдалин, А.Г.Камчатников ЭФИРНЫЕ МАСЛА В СПОРТИВНОЙ ПРАКТИКЕ (МОНОГРАФИЯ) ВОЛГОГРАД 2009 ББК 28.903 С315 Рецензенты Доктор медицинских наук, профессор С.В.Клаучек Доктор биологических наук, профессор И.Н.Солопов Рекомендовано к изданию...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Т. Е. Минякова УРОВЕНЬ ЖИЗНИ НАСЕЛЕНИЯ: ПЕРСПЕКТИВЫ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ (на примере России и Китая) Ульяновск УлГТУ 2012 УДК 659.2 ББК 65.050 М 62 Печатается по решению Ученого совета экономико-математического факультета Ульяновского государственного технического университета Рецензенты:...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Е.Д. Кошелева, К.Б. Кошелев КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГРУНТОВЫХ И ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД В ЗОНЕ БУРЛИНСКОГО МАГИСТРАЛЬНОГО КАНАЛА Монография Барнаул Издательство АГАУ 2010 УДК 744.4:514.18 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой математики и прикладной информатики в...»

«Л. П. ДРОЗДОВСКАЯ Ю. В. РОЖКОВ МЕХАНИЗМ ИНФОРМАЦИОННО-ФИНАНСОВОЙ ИНТЕРМЕДИАЦИИ Хабаровск 2013 УДК 336.717:330.47 ББК 65.262.1 Д75 Дроздовская Л.П., Рожков Ю.В. Д75 Банковская сфера: механизм информационно-финансовой интермедиации: монография / под научной ред. проф. Ю.В. Рожкова. — Хабаровск : РИЦ ХГАЭП, 2013. — 320 с. Рецензенты: д-р экон. наук, профессор Богомолов С. М. (Саратов, СГСЭУ); д-р экон. наук, профессор Останин В.А. (Владивосток, ДВГУ) ISBN 978-5-7823-0588- В монографии...»

«КУЛЬТУРА ЖИЗНИ ОДАРЕННЫХ ДЕТЕЙ СОЗИДАНИЕ и САМОСОЗИДАНИЕ СЕРИЯ Будущее России: образование, преобразование, процветание Саратов - Санкт-Петербург 2012 1 УДК373.5.015.3:78 ББК88.8+74.268.53 Л 88 Рецензенты: О.А. Антонова, доктор педагогических наук, профессор Смольного института РАО А.А. Понукалин, доктор социологических наук, профессор Саратовского государственного университета Е.К. Маранцман, доктор педагогических наук, доцент кафедры педагогики и психологии начального образования РГПУ им. А....»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Омский государственный педагогический университет А. Н. Ильин КУЛЬТУРА ОБЩЕСТВА МАССОВОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ: КРИТИЧЕСКОЕ ОСМЫСЛЕНИЕ Монография Омск Издательство ОмГПУ 2014 Печатается по решению редакционно­ УДК 008 издательского совета Омского государственного ББК 71.016.6 педагогического университета И46 Рецензенты: Д. В. Иванов - д-р социол. наук, проф. кафедры теории и истории со­ циологии факультета социологии Санкт-Петербургского...»

«М.В. Мархгейм ПРАВОЗАЩИТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПУБЛИЧНЫХ СТРУКТУР В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Ростов-на-Дону, 2006 ББК 87.7 УДК М 30 доктор юридических наук профессор Рецензенты : Л.В. Акопов доктор юридических наук профессор М.-П. Р. Кулиев МАРХГЕЙМ М.В. ПРАВОЗАЩИТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПУБЛИЧНЫХ СТРУКТУР В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. Монография. – Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. – 111 с. ISBN Монография посвящена комплексу теоретических, конституционноправовых, процессуальных и организационно-практических проблем,...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.П. АСТАФЬЕВА Д.Г. Миндиашвили, А.И. Завьялов ФОРМИРОВАНИЕ СПОРТИВНО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОСТРАНСТВА В УСЛОВИЯХ МОДЕРНИЗАЦИИ РОССИЙСКОГО ОБЩЕСТВА (на примере подрастающего поколения Сибирского региона) Монография КРАСНОЯРСК ББК 74. М Рецензенты: Доктор педагогических наук, профессор (КГПУ им....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО УДМУРТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ БИОЛОГО-ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ЭКОЛОГИИ ЖИВОТНЫХ С.В. Дедюхин Долгоносикообразные жесткокрылые (Coleoptera, Curculionoidea) Вятско-Камского междуречья: фауна, распространение, экология Монография Ижевск 2012 УДК 595.768.23. ББК 28.691.892.41 Д 266 Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом УдГУ Рецензенты: д-р биол. наук, ведущий научный сотрудник института аридных зон ЮНЦ...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО Амурский государственный университет Биробиджанский филиал Н. Н. Деева СОЦИАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ УПРАВЛЕНИЯ РЫНКОМ ТРУДА В РЕГИОНЕ (на примере приграничных регионов Дальнего Востока) Монография Биробиджан 2012 1 УДК 316.3/4 ББК 65.240 : 65.050.2 Д 11 Рецензенты: доктор социологических наук, профессор Н. М. Байков доктор социологических наук, профессор Н. С. Данакин доктор экономических наук, профессор Е. Н. Чижова Деева, Н.Н. Д 11...»

«Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Федеральное государственное учреждение науки Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения Н.В. Зайцева, М.А. Землянова, В.Б. Алексеев, С.Г. Щербина ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ МАРКЕРЫ И ГИГИЕНИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ХРОМОСОМНЫХ НАРУШЕНИЙ У НАСЕЛЕНИЯ И РАБОТНИКОВ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ С МУТАГЕННОЙ АКТИВНОСТЬЮ (на примере металлов, ароматических...»

«ИССЫК ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ ЛИЗИНГА В РЕСПУБЛИКЕ КАЗАХСТАН Алматы - 2010 -1УДК 339.1 ББК 65.42 И 88 Иссык Т. В. Стратегия лизинга в Республике Казахстан: Монография / Татьяна Владимировна Иссык. - Алматы, 2010 – 274с. ISBN 978-601-278-167-0 Монография доктора бизнес администрирования Т.В. Иссык знакомит читателя с современным состоянием лизинга, как инвестиционного инстумента, широко применяемого в мире; раскрывает его положительные и отрицательные стороны; а также...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Архангельский государственный технический университет Международная Академия Наук педагогического образования Ломоносовский Фонд Т.С. Буторина Ломоносовский период в истории русской педагогической мысли XVIII века Москва–Архангельск 2005 УДК 37(07) + 94/99(07) ББК 74(2р-4Арх)+63.3(2Р-4Арх) Б93 Рецензенты: д-р пед. наук, проф. РГПУ имени А.И. Герцена Радионова Н.Ф.; Вед. научн. сотрудник института теории и истории педагогики РАО, д-р пед....»

«О ПРЕИМУЩЕСТВАХ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ ИЗ КОЖИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАНОТЕХНОЛОГИЙ 1 УДК ББК К Рецензенты: д.т.н., профессор, главный специалист Санкт – Петербуржского информационно – аналитического центра. К.Н Замарашкин ( г. Санкт – Петербург, Россия ) д.т.н., профессор, зав. кафедрой Конструирование изделий из кожи Новосибирского технологического института ГОУ ВПО Московский государственный университет дизайна и технологии филиал Н.В Бекк (г. Новосибирск,...»

«Казанский государственный университет Институт языкознания РАН Российский научно-образовательный центр по лингвистике им. И. А. Бодуэна де Куртенэ Поляков В.Н., Соловьев В.Д. Компьютерные модели и методы в типологии и компаративистике Казань Казанский государственный университет 2006 1 УДК 81:004.9 ББК 81:32.973 П 54 Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного университета Поляков В.Н. П 54 Компьютерные модели и методы в типологии и компаративистике....»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тамбовский государственный технический университет Л.Н. ЧАЙНИКОВА ФОРМИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ СТРАТЕГИЧЕСКОЙ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬЮ РЕГИОНА Рекомендовано экспертной комиссией при научно-техническом совете ГОУ ВПО ТГТУ в качестве монографии Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2010 УДК 338.2(470.326) ББК У291.823.2 Ч157 Р е це н зе н ты: Доктор экономических...»

«Н.А. Ярославцев О существовании многоуровневых ячеистых энергоинформационных структур Невидимое пространство в материальных проявлениях Омск - 2005 1 Рекомендовано к публикации ББК 28.081 решением научно-методического УДК 577.4 семинара химико-биологического Я 80 факультета Омского государственного педагогического университета от 05.04.2004 г., протокол №3 Я 80 Н.А. Ярославцев. О существовании многоуровневых ячеистых энергоинформационных структур. Монография – Омск: Полиграфический центр КАН,...»

«Vinogradov_book.qxd 12.03.2008 22:02 Page 1 Одна из лучших книг по модернизации Китая в мировой синологии. Особенно привлекательно то обстоятельство, что автор рассматривает про цесс развития КНР в широком историческом и цивилизационном контексте В.Я. Портяков, доктор экономических наук, профессор, заместитель директора Института Дальнего Востока РАН Монография – первый опыт ответа на научный и интеллектуальный (а не политический) вызов краха коммунизма, чем принято считать пре кращение СССР...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.