عایق حرارتی با حباب بهتر است
من به عنوان یک مهندس هسته ای در کلاس های مهندسی حرارتی زیادی شرکت کرده ام. در حالی که من از یادگیری تکنیکهایی برای افزایش انتقال حرارت لذت میبرم، کاربردهای جذابی را نیز پیدا کردهام که در آنها کاهش انتقال حرارت با استفاده از انتخاب درست و ترکیب مواد و اشکال مهم است. طراحی این برای بسیاری از صنایع از جمله صنایع ساختمان و هوافضا حیاتی است. اخیراً به نمونه جالبی از عایق حرارتی در پیش پا افتاده ترین این موارد برخوردم: طراحی لباس. من مجبور شدم یک لباس مرطوب بخرم و نتوانستم در برابر وسوسه شبیه سازی و درک خواص عایق حرارتی آن مقاومت کنم.
لباس مرطوب و نئوپرن فوم دار
لباسهای مرطوب مدرن از نئوپرن ساخته شدهاند و در واقع مانع از خیس شدن ما نمیشوند – در عوض، برای گرم نگه داشتن ما طراحی شدهاند. اگر لباس مرطوب به اندازه کافی تنگ باشد، لایهای از آب که شکاف بین لباس و پوست ما را پر میکند به قدری نازک خواهد بود که به راحتی توسط گرمای بدن ما گرم میشود. پس از سرمای اولیه، عایق ارائه شده توسط نئوپرن فوم به ما امکان می دهد بدون تجربه دمای واقعی آب، شنا کنیم و از آب لذت ببریم. به منظور حفظ خواص عایق حرارتی آن در حین استفاده، لباسهای مرطوب به گونهای طراحی شدهاند که از آنچه که فلاشینگ نامیده میشود – یا ورود آب سرد از طریق مچ پا، مچ دست و گردن به لباس مرطوب جلوگیری میکند.
چرا نئوپرن فوم دار چنین عایق حرارتی خوبی ارائه می دهد؟ نئوپرن فوم دار حاوی حباب های کوچکی از گاز نیتروژن است. وجود چنین گازی با رسانایی حرارتی بسیار کم ، در مقایسه با تماس مستقیم پوست با آب، انتقال حرارت را تقریباً یک مرتبه کاهش می دهد. علاوه بر خواص حرارتی مطلوب، تقریباً هیچ جریان همرفتی در گاز محبوس شده در چنین حباب های ریز وجود ندارد. انتقال حرارت در نئوپرن فوم شده عمدتاً از طریق انتشار اتفاق می افتد ، یک مکانیسم انتقال آهسته که از دست دادن گرما از بدن ما را کاهش می دهد.
عایق حرارتی: شبیه سازی تایید می کند که حباب ها بهتر هستند
برای ساخت مدل خود از COMSOL Multiphysics و ماژول انتقال حرارت استفاده کردم و یک دامنه دوبعدی با لایههای زیر از چپ به راست در نظر گرفتم:
مواد | ضخامت/قطر | خواص حرارتی |
---|---|---|
پوست | 2 میلی متر | عین آب |
اب | 0.5 میلی متر | وابسته به دما، از کتابخانه مواد موجود در COMSOL Multiphysics گرفته شده است |
پارچه راحت (نایلون) | 0.2 میلی متر | مانند بالا |
اکسید فلز تیتانیوم | 0.05 میلی متر | مانند بالا |
نئوپرن | 3 میلی متر | مانند بالا |
حباب های نیتروژن | 0.025 میلی متر | مانند بالا |
پارچه مقاوم (نایلون) | 0.2 میلی متر | مانند بالا |
مقادیر ارائه شده در جدول بالا بر اساس داده هایی است که در جستجوی آنلاین پیدا کردم. در صورت نیاز، یا اگر به اطلاعات یا مشخصات جدیدی برخوردم، می توانم مواد و خواص هندسی مختلف را تنها با چند کلیک آزمایش کنم. علاوه بر این، مدل من کاملاً پارامتری است. این یکی از مزیتهای اصلی شبیهسازی است – تأیید و بهینهسازی طراحی را مستقیماً روی رایانه، قبل از راهاندازی یک کمپین آزمایشی گرانقیمت، امکانپذیر میسازد. هندسه مدل در شکل 1 در زیر نشان داده شده است.
شکل 1: هندسه مدل نئوپرن فوم دار با خط برش پس از پردازش (به رنگ قرمز).
شرایط مرزی و دمای اولیه مورد استفاده در مدل در زیر خلاصه می شود:
شار حرارت بدن، مرز چپ | دمای دریا، مرز سمت راست | دمای اولیه، همه دامنه ها |
---|---|---|
100 وات/2 متر مربع (مرجع 2 و 3) | 17.2 درجه سانتی گراد (مراجعه 4، سپتامبر) | 36.1 درجه سانتیگراد (مرجع 5) |
نتایج شبیهسازی نشاندادهشده در شکل ۲ تأیید میکند که داشتن یک لباس نئوپرن فومدار، با عایق حباب نیتروژن، انتخاب خوبی است، بهویژه اگر بیش از پنج دقیقه در آب سرد باشیم. با توجه به لباس مرطوب نئوپرن بدون فوم، سه دقیقه دیگر فرصت داریم تا به دمای 24 درجه سانتیگراد برسیم.
شکل 2. دمای پوست در برابر زمان.
شکل های 3 و 4 جزئیات بیشتری را در مورد مشخصات دما در امتداد یک خط برش افقی و توزیع دما در کل حوزه شبیه سازی ارائه می دهند.
شکل 3. از بالا به پایین: هندسه مدل با خط برش پس پردازش (قرمز)؛ مقادیر دما در امتداد خط برش در t= 2، 6 و 9 min.
شکل 4. توزیع دما در t=2 دقیقه (چپ) و 9 دقیقه (راست).
نکات مدل سازی انتقال حرارت
مطمئنم در شکل 1 متوجه شده اید که من در واقع حباب های نیتروژن را کشیده ام. همچنین میتوان حبابها را با استفاده از تکنیک شبیهسازی جریان مقیاس منافذ هموژن و رسانش حرارتی شبیهسازی کرد، که نحوه نمایش حبابها با خواص حرارتی متوسط حجمی معادل آنها را توضیح میدهد و به آنها اجازه میدهد بدون ترسیم یا ترسیم آنها شبیهسازی شوند. از دست دادن بیش از حد در دقت به لطف شرایط مرزی در COMSOL که به طور خاص برای مدلسازی دامنههایی طراحی شدهاند که از نظر هندسی بسیار کوچکتر از بقیه مدل هستند، میتوانم آنها را بدون ترسیم جداگانه همه دامنهها شبیهسازی کنم. برای جزئیات بیشتر در مورد گزینه های موجود در ماژول انتقال حرارت، به شکل های 5، 6 و 7 مراجعه کنید.
شکل 5. شرایط مرزی لایه بسیار رسانا (برای بزرگنمایی کلیک کنید).
شکل 6. شرایط مرزی لایه مقاوم حرارتی نازک (برای بزرگنمایی کلیک کنید).
شکل 7. شرایط مرزی تماس حرارتی (برای بزرگنمایی کلیک کنید).
منابع اضافی
هنگام ایجاد مدل، من از برخی از منابع زیر برای تنظیم مدل و انتخاب ویژگی های مدل استفاده کردم:
- عملکرد جریان مقیاس منافذ همگن و هدایت حرارتی در COMSOL، که امکان استفاده از داده های تصویر را برای نمایش توزیع مواد دو بعدی و استفاده از رنگ یا مقیاس خاکستری تصویر برای شناسایی مناطق با مواد مختلف فراهم می کند.
- تنظیم حرارت ، منبعی در مورد چگونگی تنظیم قدرت گرمای خروجی بدن توسط بدن
- توضیحات پوست
- میانگین دمای آب بوستون
- هیپوترمی
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید