液冷服中的流动与传热及其系统研制

发布时间：2017-12-05 04:31

  本文关键词：液冷服中的流动与传热及其系统研制

  更多相关文章： 液冷服 微型泵 传热模型 数值模拟 性能测试

【摘要】：当环境温度高于37℃时,人体的自我调节散热途径不足以散发机体活动所产生的热量,就会导致热量在体内蓄积,形成热应激,使注意力降低,并容易诱发事故。长时间处于热应激状态会造成人体热调节机能失调,引发高温中暑或热衰竭症状,甚至导致心血管疾病加重乃至死亡。为了有效降低高温环境下的人体温度,保障人的身体健康,提高工作效率,降低事故发生率,液体冷却服的开发与研究具有十分重要的现实意义。本论文围绕液冷服系统的设计及存在的流动与传热过程进行研究,并取得了以下成果： 1)实现了一款符合其液冷服系统的特殊应用需求的微型泵的研制。分析了液冷服系统的流动阻力和管网特性曲线,以经典离心泵速度系数法设计理论为基础,结合加大流量设计法、部分流泵设计法和面积比原理等优化理论与方法,设计了微型泵的主要参数,并通过三维数值模拟分析了微型泵内部的非定常流动流场特点；开展了微型泵的性能测试,得到数值模拟与实验值之间的误差小于15%,验证了数值模拟优化的有效性。最终完成的微型泵扬程达,到58.58KPa,流量达到899.2ml/min,而其体积大小仅为22×22×34mm3,重量仅21g。 2)建立了人体-液冷服-环境系统传热模型。从人体热平衡方程出发,依据热量在液冷服系统内的传递路径,分析了传热过程中的对流传热、导热传热和辐射传热,给出了各个部分相应热阻的计算表达式。建立了人体-液冷服-环境系统的理论传热模型,并通过实验证明理论模型的相对误差值小于10%。针对换热管路的微元段进行传热研究,构建了换热管内冷却液的温度与管路长度之间的关系式。通过进一步的积分运算,推导得到了液冷服总体冷却能力和体积流量、环境温度、管路入口温度以及相关传热系数之间的理论方程。 3)完成了液冷服系统的整体设计与样品研制。通过针对应用特点的需求分析,明确液冷服的设计目标指标；阐述了液冷服系统的三个核心部件微型泵、换热管网、冷源装置的重要性。最终研制得到的液冷服样品最大冷却能力为243.2W,最长可持续工作时间为3.36小时,重量约2kg。 4)提出了简易温控假人测试法,搭建了液冷服的性能测试平台。分析了暖体假人测试法和蒸发加热板法应用于液冷服系统性能测试的优点和缺点,在此基础上提出了简易温控假人测试法,提出将液冷服系统的传热热阻分为液冷服与人体皮肤间的传热热阻R1以及液冷服与环境空气之间的热阻R2,以实现对其传热过程的准确测试和描述。提出“比可持续工作时间”的概念,定义为液冷服系统最长可持续工作时间与系统质量之比,用来评估液冷服系统的可持续工作时间的重量成本,作为不同液冷服样品之间比较的依据和设计过程中的优化准则。实例分析证明了这一评价标准的有效性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124

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本文编号：1253596