本文關(guān)鍵詞：液冷服中的流動與傳熱及其系統(tǒng)研制

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【摘要】：當環(huán)境溫度高于37℃時,人體的自我調(diào)節(jié)散熱途徑不足以散發(fā)機體活動所產(chǎn)生的熱量,就會導(dǎo)致熱量在體內(nèi)蓄積,形成熱應(yīng)激,使注意力降低,并容易誘發(fā)事故。長時間處于熱應(yīng)激狀態(tài)會造成人體熱調(diào)節(jié)機能失調(diào),引發(fā)高溫中暑或熱衰竭癥狀,甚至導(dǎo)致心血管疾病加重乃至死亡。為了有效降低高溫環(huán)境下的人體溫度,保障人的身體健康,提高工作效率,降低事故發(fā)生率,液體冷卻服的開發(fā)與研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。本論文圍繞液冷服系統(tǒng)的設(shè)計及存在的流動與傳熱過程進行研究,并取得了以下成果： 1)實現(xiàn)了一款符合其液冷服系統(tǒng)的特殊應(yīng)用需求的微型泵的研制。分析了液冷服系統(tǒng)的流動阻力和管網(wǎng)特性曲線,以經(jīng)典離心泵速度系數(shù)法設(shè)計理論為基礎(chǔ),結(jié)合加大流量設(shè)計法、部分流泵設(shè)計法和面積比原理等優(yōu)化理論與方法,設(shè)計了微型泵的主要參數(shù),并通過三維數(shù)值模擬分析了微型泵內(nèi)部的非定常流動流場特點；開展了微型泵的性能測試,得到數(shù)值模擬與實驗值之間的誤差小于15%,驗證了數(shù)值模擬優(yōu)化的有效性。最終完成的微型泵揚程達,到58.58KPa,流量達到899.2ml/min,而其體積大小僅為22×22×34mm3,重量僅21g。 2)建立了人體-液冷服-環(huán)境系統(tǒng)傳熱模型。從人體熱平衡方程出發(fā),依據(jù)熱量在液冷服系統(tǒng)內(nèi)的傳遞路徑,分析了傳熱過程中的對流傳熱、導(dǎo)熱傳熱和輻射傳熱,給出了各個部分相應(yīng)熱阻的計算表達式。建立了人體-液冷服-環(huán)境系統(tǒng)的理論傳熱模型,并通過實驗證明理論模型的相對誤差值小于10%。針對換熱管路的微元段進行傳熱研究,構(gòu)建了換熱管內(nèi)冷卻液的溫度與管路長度之間的關(guān)系式。通過進一步的積分運算,推導(dǎo)得到了液冷服總體冷卻能力和體積流量、環(huán)境溫度、管路入口溫度以及相關(guān)傳熱系數(shù)之間的理論方程。 3)完成了液冷服系統(tǒng)的整體設(shè)計與樣品研制。通過針對應(yīng)用特點的需求分析,明確液冷服的設(shè)計目標指標；闡述了液冷服系統(tǒng)的三個核心部件微型泵、換熱管網(wǎng)、冷源裝置的重要性。最終研制得到的液冷服樣品最大冷卻能力為243.2W,最長可持續(xù)工作時間為3.36小時,重量約2kg。 4)提出了簡易溫控假人測試法,搭建了液冷服的性能測試平臺。分析了暖體假人測試法和蒸發(fā)加熱板法應(yīng)用于液冷服系統(tǒng)性能測試的優(yōu)點和缺點,在此基礎(chǔ)上提出了簡易溫控假人測試法,提出將液冷服系統(tǒng)的傳熱熱阻分為液冷服與人體皮膚間的傳熱熱阻R1以及液冷服與環(huán)境空氣之間的熱阻R2,以實現(xiàn)對其傳熱過程的準確測試和描述。提出“比可持續(xù)工作時間”的概念,定義為液冷服系統(tǒng)最長可持續(xù)工作時間與系統(tǒng)質(zhì)量之比,用來評估液冷服系統(tǒng)的可持續(xù)工作時間的重量成本,作為不同液冷服樣品之間比較的依據(jù)和設(shè)計過程中的優(yōu)化準則。實例分析證明了這一評價標準的有效性。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124

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