Теплоотдача при естественной и вынужденной конвекции газа

Исследования, направленные на оптимизацию процессов, протекающих в медицинских системах, основаны на математическом моделировании нестационарной передачи теплоты от объекта охлаждения к газообразному теплоносителю. Процесс передачи теплоты основан на конвективном переносе энергии. Учитывая многообразие вариантов реализации криомедицинских технологий, конвекция газа может быть вынужденной или естественной.

Эффективность конвективного отвода теплоты определяется градиентом температур между объектом и газом – теплоносителем ∆ Т _2-1и величиной коэффициента теплоотдачи. Плотность теплового потока с поверхности тела определяется как:

q _2-1 = a(Т ₂ – Т ₁), (1)

где Т ₂, Т ₁ – соответственно температура объекта охлаждения и газа – теплоносителя.

В условиях естественной конвекции величина коэффициента теплоотдачи в основном зависит от градиента температур:

a= f (∆ Т _2-1) (2)

В условиях вынужденной конвекции определяющую роль играет скорость движения газа:

a = f (Т ₁,w₁, Y ₂), (3)

где Y ₂ – высота объекта охлаждения.

Применительно к рассматриваемому кругу задач, расчет коэффициента теплоотдачи необходим для определения граничных условий нестационарного переноса теплоты в объекте криомедицинского воздействия [1]. Математическая модель объекта описывает внешнюю теплоотдачу в виде граничных условий третьего рода:

q _2-1= f (τ)

Для достоверного моделирования процесса криомедицинского воздействия (КВ) необходимо описать изменение величины q _2-1 во времени. На практике это описание сводится к вычислению q _2-1для каждого момента времени моделируемого процесса. Изменение температуры поверхности объекта КВ сопровождается уменьшением плотности теплового потока, поэтому вычисления необходимо проводить с малым шагом по времени ∆τ < 1.