ANALIZA KSZTAŁTU SEGMENTU UBIORU TERMOOCHRONNEGO PRZY NIEUSTALONYM PRZEWODZENIU CIEPŁA

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISNN X 32, s , Gliwice 26 ANALIZA KSZTAŁTU SEGMENTU UBIORU TERMOOCHRONNEGO PRZY NIEUSTALONYM PRZEWODZENIU CIEPŁA RYSZARD KORYCKI DARIUSZ WITCZAK Katedra Mechaiki i Iformatyki Techiczej, Politechiki Łódzkiej Streszczeie. Wielowarstwowy ubiór termoochroy reaguje a bodźce otoczeia przez skokowy wzrost objętości szczelych segmetów. Rozciągaie materiału daje spadek jego gęstości, czyli zmiaę waruków przewodzeia ciepła. Nieustaloe przewodzeie ciepła jest opisae rówaiem przewodzeia, warukami brzegowymi oraz warukiem początkowym. Zdefiiowao problem optymalizacji oraz przedstawioo ajczęściej używae fukcjoały celu. Obliczeia wykoao programem ADINA, modyfikacji podlegał kształt brzegu wewętrzego segmetu ubioru. 1. WSTĘP Iteraktywe ubiory termoochroe są stosowae praktyczie do ochroy użytkowika przed ekstremalymi warukami otoczeia, p. jako morskie ubiory ratowicze, do skoków spadochroowych z dużej wysokości lub kombiezoy ochroe w sportach ekstremalych. Rys. 1: Kombiezo ochroy w sporcie motorowym. Działaie ubioru polega a jego reakcji a bodziec zewętrzy p. gwałtowe zmiejszeie temperatury lub zmiaę ciśieia atmosfery. Impuls wywołuje skokowy wzrost objętości specjalych, szczelych segmetów ubioru. Wzrost objętości może wywoływać zmiaę kształtu takiego segmetu. Sumarycza masa materiału ubioru jest stała, czyli przy jego rozciągięciu maleje gęstość i zmieiają się waruki przewodzeia ciepła. Segmety

2 256 R. KORYCKI, D. WITCZAK wypełioe czyikiem o stałej, określoej temperaturze poprawiają izolację ciała użytkowika. Materiał ubioru może być wielowarstwowy, co zaczie polepsza jego własości izolacyje. Każda z warstw ma wówczas ią charakterystykę przewodzeia ciepła. Celem pracy jest takie aaliza kształtu segmetu ubioru, które maksymalie zwiększa jego efektywość termoodporą, czyli lepiej dostosowuje ubiór do działaia bodźca zewętrzego. Efektem jest lepsze zabezpieczeie użytkowika ubioru przed warukami otoczeia. Wyiki prac tego typu jako poufe ie są masowo publikowae, rzadko spotykae są w literaturze. 2. OKREŚLENIE PROBLEMU PODSTAWOWEGO PRZEWODZENIA CIEPŁA Prace ad ubiorami termoizolacyjymi trwały od pierwszej połowy lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Dokładego omówieia zasad kostrukcji ubiorów wielofukcyjych i iteraktywych dokoał Szoslad [5] rys.2. Dla poprawy własości termoochroych ubioru, przy agłym spadku temperatury, zwiększa się gwałtowie jego izolacyjość cieplą. Prezetowae a rys.2a rozwiązaie wymaga istieia źródła eergii, umożliwiającego apełieie powietrzem hermetyczych segmetów przestrzei 1. Źródłem sygału jest sesor temperatury 2, umieszczoy w pobliżu ubioru. Istieją dwie alteratywe możliwości apełieia: przez otwarcie zaworu elektromagetyczego 3 w zbioriku gazu 4, bądź uruchomieie wysokowydajej pompy elektromagetyczej 5. Możliwe jest także zastosowaie elemetu mechaiczego z pamięcią kształtu (rys.2b), zmieiającego swoją charakterystykę w określoej temperaturze (p. zmiaa długości sprężyy wykoaej z odpowiediego materiału). a) b) Rys.2: Rozwiązaie iteraktywego ubioru termoochroego (a) wg Szoslada [5] (b) zastosowaie elemetu mechaiczego z pamięcią kształtu 1-cele peumatycze, 2-sesor temperatury, 3-zawór elektromagetyczy, 4-zbiorik, 5-pompa elektromagetycza Model układu rzeczywistego powiie więc uwzględiać zmiaę objętości ubioru i towarzyszącą jej zmiaę gęstości materiału. Zasada realizacji techiczej przez zmiaę kształtu segmetu oraz model fizyczy układu zostały przedstawioe a rys. 3.

3 c) Γ c q ANALIZA KSZTAŁTU SEGMENTU UBIORU TERMOOCHRONNEGO PRZY NIEUSTALONYM a) b) gęstość ρ 1 gęstość ρ 2 gęstość ρ 1 <ρ 1 H 1 gęst. ρ 2 <ρ 2 H 2 >H 1 L = cost L = cost Γ c otw Γ q Γ q q q A f q * Γ T T Rys. 3: Zasada realizacji techiczej i model fizyczy segmetu ubioru termoochroego a) kształt przed zadziałaiem impulsu, b) kształt po zadziałaiu impulsu, c) model fizyczy segmetu Nieustaloe przewodzeie ciepła w wielowarstwowym materiale termiczie aizotropowym zapisuje się rówaiem przewodzeia, warukami brzegowymi i warukiem początkowym a określoych częściach brzegu [2, 3] dt divq + f = c T( x,t) = T ( x, t) x ΓT ; q ( x,t) = q = q ( x, t) x Γq dt w Ω ; (1) * q = A T + q q ( x,t) = h[t( x, t) T ( x,t)] x Γc ; T( x,) = T x ( Ω Γ), gdzie A to macierz współczyików aizotropowego przewodzeia ciepła w materiale, T to temperatura, f jest źródłem ciepła, q oraz q * to wektory strumieia ciepła i wstępego strumieia ciepła, ozacza operator gradietowy, to temperatura otoczeia, to jedostkowy wektor ormaly skieroway a zewątrz brzegu Γ, h to współczyik przejmowaia ciepła dla kowekcji, c to pojemość ciepla materiału, t to czas w układzie podstawowym. 3. OPTYMALIZACJA KSZTAŁTU CIAŁA I FUNKCJONAŁY OPTYMALIZACJI Zadaie optymalizacji to poszukiwaie takiego kształtu, który daje miimum lub maksimum fukcjoału celu założoej postaci z wprowadzoym ograiczeiem stałego kosztu materiału. Przy stałym koszcie jedostkowym ozacza to stałą powierzchię optymalizacji G mi dla C C = lub G max dla C C = (2) Najczęściej używay fukcjoał celu to gęstość strumieia ciepła w kieruku ormalym do całego lub części brzegu zewętrzego. Wykorzystując [1] moża ją zapisać w postaci t f G = q dγ dt (3) Γ

4 258 R. KORYCKI, D. WITCZAK Gdy projektujemy kostrukcję jako radiator promieiowaia, szukamy maksimum powyższego fukcjoału celu, zaś dla izolatora promieiowaia miimum tego fukcjoału. Iy fukcjoał celu jest miarą źródła ciepła wewątrz materiału, którą moża zapisać według [1] w postaci t f G = f dω dt (4) Ω Projektując optymalie z uwagi a duży wydatek źródła ciepła maksymalizujemy te fukcjoał celu, odpowiedio a mały wydatek ciepła poszukujemy jego miimum. Fukcjoał celu może mieć postać globalej miary maksymalej temperatury lokalej [1] G = t f Ω T T dω 1 dt ; gdzie T jest założoym poziomem temperatury. Dla wykładika fukcjoał te jest globalą miarą maksymalych lokalych temperatur w optymalizowaym obszarze. 4. IMPLEMENTACJA NUMERYCZNA PROBLEMU Na kształt segmetu ubioru termoochroego mają wpływ trzy czyiki: - parametry ciepłochroe, - względy techologicze związae z wykoaiem segmetu i całego ubioru, - cechy użytkowe, fukcjoale i estetycze. W przypadku odzieży termoochroych ajistotiejszymi cechami są parametry izolacyje, z drugiej stroy zaprojektoway segmet ubioru musi być możliwy do wykoaia czyli spełiać wymagaia techologicze. Uwzględiając oba te aspekty, a rys. 4 zapropoowao astępujące kształty segmetów. A C (5) B D Rys. 4: Propoowae kształty segmetu ubioru termoochroego Obliczaia przeprowadzoo dla wszystkich kształtów segmetu ubioru termoochroego przy astępujących założeiach: - segmet wykoay z dwóch warstw materiałów włókieiczych, - komora wewątrz segmetu wypełioa powietrzem, - temperatura od stroy użytkowika 37 O C, - temperatura a zewątrz 2 O C, - a brzegu zewętrzym kowekcja, - bocze ściaki adiabatycze (bez wymiay ciepła), - zmiay kształtu segmetu przedstawioo a rys. 4.

5 ANALIZA KSZTAŁTU SEGMENTU UBIORU TERMOOCHRONNEGO PRZY NIEUSTALONYM Obliczeia wykoao wykorzystując system ADINA (Automatic Dyamic Icremetal Noliear Aalysis). System te bazuje a metodzie elemetów skończoych MES dla jedodwu- i trójwymiarowych zagadień ustaloych i ieustaloych w czasie. System jest uiwersaly, moża dzięki iemu aalizować zagadieia mechaicze, cieple i przepływowe. W pracy wykorzystao wersję ADINA 7.5 dla zagadień cieplych. Na rys. 5 przedstawioo przykładowe rozkłady temperatury i gęstości strumieia ciepła w segmetach ubioru ciepłochrommego. Segmet przed zadziałaiem impulsu (ieodkształcoy) A C B D Rys. 5: Rozkład temperatury i gęstości strumieia ciepła w segmecie ubioru termoochroego Procetowe zmiay strumieia ciepła dla poszczególych segmetów w stosuku do układu wyjściowego (ie odkształcoego) rys. 5, przedstawioo w tabeli 1. Tabela 1: Procetowe zmiay strumieia ciepła dla poszczególych rodzajów segmetów w stosuku do układu wyjściowego (ie odkształcoego). Rodzaj segmetu ubioru termoochroego A B C D Procetowa zmiaa zwiększeie izolacyjości 27.7 % 19.9 % 3.3 % 4.9 %

6 26 R. KORYCKI, D. WITCZAK 5. WNIOSKI Optymale projektowaie kształtu segmetu iteraktywego ubioru termoochroego w ieustaloych problemach przewodzeia ciepła pozwala a uzyskaie takiego kształtu, który daje większą izolację cieplą. Dzięki temu ubiór jest lepiej przystosoway do waruków otoczeia, p. gwałtowego spadku temperatury. Optymale projektowaie tego typu ubioru może dać kokrete efekty ekoomicze, przez zastąpieie doświadczeń a układzie rzeczywistym za pomocą obliczeń z wykorzystaiem modelu segmetu ubioru. Kształt kostrukcji jest opisyway wektorem odpowiedio dobraych parametrów projektowaia. Aaliza literatury ie wykazała istieia prób optymalizacji kształtu takiego segmetu ubioru termoochroego. Problem może być więc waży z komercyjego puktu widzeia. Na podstawie uzyskaych wyików jest widocze, że wykorzystaie programu obliczeiowego ADINA bazującego a metodzie elemetów skończoych jest dobrym arzędziem obliczeń. Praca wykoaa w ramach Gratu r 5/T7A/2325 Miisterstwa Edukacji i Nauki LITERATURA 1. Dems K., Korycki R.: Sesitivity aalysis ad optimal desig for steady coductio problem with radiative heat trasfer. J.Thermal Stressess, 28, 25, s Korycki R.: Two-dimesioal shape idetificatio for the usteady coductio problem. Structural ad Multidiscipliary Optimizatio, 21, 3, 21, s Korycki R.: Idetyfikacja i optymale projektowaie kształtu wyrobów i kostrukcji włókieiczych przewodzących ciepło, Zeszyty Naukowe Politechiki Łódzkiej, r 929, Kostowski E.: Przepływ ciepła. Wyd.3. Gliwice:Wydawictwo Politechiki Śląskiej, Szoslad J.: Multifuctioal ad iteractive clothig. VIII Iteratioal Coferece of Faculty of Textile Egieerig ad Marketig IMTEX 24, Łódź 24, s SHAPE ANALYSIS OF THE SEGMENT OF AN INTERACTIVE THERMAL-PROTECTIVE CLOTHING Summary. A multilayer thermal-protective clothig react to the eviromet impulse e.g. by the istataeous icrease i value of the hermetic segmets. The volumial icrease causes the decrease of the desity ad the chage of the heat trasfer coditios. The trasiet heat coductio problem is described usig the coductio equatio, boudary ad iitial coditios. We have defied the optimizatio problem ad itroduced the most used objective fuctioals. The problem was implemeted usig the ADINA calculatio program, ad the shape of iteral boudary of the segmet was modified. This work was supported by Grat 5/T7A/2325 of Miistry of Educatio ad Sciece.