Walidacja modelu przepływu ciepła i wilgoci przez ubiór ochronny

• Autorzy: Łapka P. , Furmański P. , Bugaj M. A. , Cieślikiewicz Ł. , Pietrak K. , Kubiś M. , Wiśniewski T. S.

Warianty tytułu

EN

Validation of Heat and Mass Transfer Model in the Protective Clothing

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono zaawansowany model matematyczny i numeryczny transportu ciepła i masy w wielowarstwowych ubraniach ochronnych, które były poddane działaniu wysokiej temperatury otoczenia lub dużych radiacyjnych strumieni ciepła emitowanych przez gorące ciała. Zaproponowany model uwzględniał przewodzenie ciepła i promieniowanie cieplne w warstwach tkaniny o spektralnych właściwościach optycznych i w szczelinach powietrznych oraz transport energii związany z dyfuzją wilgoci przez ubranie ochronne oraz z procesami sorpcji i desorpcji wody w włóknach tkaniny. Dodatkowo do modelu włączono złożone warunki bilansu energii i masy oraz warunki optyczne na granicach warstw tkaniny. Do rozwiązania równań modelowych opracowano autorski iteracyjny algorytm numeryczny, który bazował na metodzie objętości kontrolnych. Następnie przeprowadzono analizę walidacyjną zaproponowanego modelu obliczeniowego poprzez porównanie otrzymanych wyników z wynikami pomiarów eksperymentalnych dla wybranego pakietu ubrania ochronnego ogrzewanego przez krótki czas radiacyjnym strumieniem ciepła emitowanym przez promiennik podczerwieni, a następnie chłodzonego w otoczeniu. Otrzymano dobrą zgodność czasowych przebiegów temperatury, co potwierdziło wiarygodność zaproponowanego modelu.

EN

An advanced mathematical and numerical model of heat and mass transfer in the multi-layer protective clothing, which was exposed to either high temperature environment or to high incident radiative heat flux emitted by hot objects was presented in this paper. The developed model accounted for heat conduction and thermal radiation in a non -grey layers of the protective garment. Additionally, heat transport associated with water vapour diffusion through the protective clothing and with sorption and desorption of liquid water in the fabric fibres were included. Complex energy and mass balances as well as optical conditions at the external and internal interfaces between clothing layers were formulated and incorporated into the model. A novel iterative numerical algorithm which was based on the Finite Volume Method was developed to solve the system of governing equations. Finally, the validation analysis of the model was carried out for selected multi-layer clothing which was exposed for a short time to radiative heat flux emitted by an infrared emitter and then cooled down in the surroundings. The simulated and experimentally measured time variations of temperatures were in good agreement, therefore the accuracy of the proposed model was validated.

Słowa kluczowe

PL

model numeryczny; promieniowanie cieplne; wymiana ciepła i masy; ubranie ochronne

EN

numerical model; thermal radiation; heat and mass transfer; protective clothing

• Wydawca: Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe SGSP / Szkoła Główna Służby Pożarniczej
• Rocznik: 2016
• Tom: Nr 58 (tom 2) (2)
• Strony: 231--251
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łapka P.

• Politechnika Warszawska

autor

Furmański P.

• Politechnika Warszawska

autor

Bugaj M. A.

• Politechnika Warszawska

autor

Cieślikiewicz Ł.

• Politechnika Warszawska

autor

Pietrak K.

• Politechnika Warszawska

autor

Kubiś M.

• Politechnika Warszawska

autor

Wiśniewski T. S.

• Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] Torvi D. A., Dale J. D.: Fire Technology 1999, nr 35, s. 210 ‒231.
• [2] Torvi D. A., Threlfall T. G.: Fire Technology 2006, nr 42, s. 27 ‒48.
• [3] Mell W. E., Lawson J. R.: Fire Technology 2000, nr 35, s. 39 ‒68.
• [4] Song G., Barker R. L., Hamouda H., Kuznetsov A. V., Chitrphiromsri P., Grimes R. V.: Textile Research Journal 2004, nr. 74, s. 1033 ‒1040.
• [5] Song G., Chitrphiromsri P., Ding D.: International Journal of Occupational Safety and Ergonomics 2008, nr 14, s. 89 ‒106.
• [6] Ghazy A., Bergstrom D. J.: Numerical Heat Transfer Part A 2010, nr 58, s. 702 ‒724.
• [7] Ghazy A., Bergstrom D. J.: Numerical Heat Transfer Part A 2012, nr 61, s. 569 ‒593.
• [8] Zhu F., Li K.: Fire Technology 2011, nr 47, s. 801 ‒819.
• [9] Zhu F., Zhang W., Song G.: Fire Safety Journal 2008, nr 43, s. 401 ‒409.
• [10] Jiang Y. Y., Yanai E., Nishimura K., Zhang H., Abe N., Shinohara M., Wakatsuki K.: Fire Safety Journal 2010, nr 45, s. 314 ‒326.
• [11] Fu M., Yuan M. Q., Weng W. G.: International Journal of Thermal Science 2015, nr 96, s. 201 ‒201.
• [12] Łapka P., Furmański P., Wiśniewski T. S.: Journal of Physics: Conference Series 2016, nr 676, s. 012014.
• [13] Łapka P., Furmański P., Wiśniewski T. S.: Numerical assessment of thermal performance of protective garments, Conference Proocedings of the Numerical Heat Transfer 2015 – Eurotherm Seminar No. 109, 2015, s. 69 ‒80.
• [14] Łapka P., Furmański P., Wiśniewski T. S.: Numerical assessment of influence of different heat transfer modes on temperature distribution in the protective clothing and the skin, Conference Proocedings of the ix International Conference on Computational Heat and Mass Transfer, 2016, s. 1 ‒11.
• [15] Wiśniewski T., Furmański P., Łapka P.: Problemy związane z oceną ochron osobistych poddanych obciążeniu cieplnemu, Problemy monitoringu eksploatacji sprzętu i wyposażenia w Straży Pożarnej, 2015, s. 85 ‒106.
• [16] Howell J. R., Siegel R., Mengüç M. P.: Thermal Radiation Heat Transfer, crc Press, Boca Raton 1992.
• [17] Łapka P., Furmański P.: Journal of Heat Transfer 2010, nr 132, s. 023504
• [18] Łapka P., Furmański P.: International Journal of Heat and Mass Transfer 2012, nr 55, s. 4941 ‒4952.
• [19] Łapka P., Furmański P.: International Journal of Heat and Mass Transfer 2012, nr 55, s. 4953 ‒4964.
• [20] Seredyński M., Łapka P., Banaszek J., Furmański P.: International Journal of Heat and Mass Transfer 2015, nr 90, s. 790 ‒799.
• [21] Versteeg H. K., Malalasekera W.: An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Pearson Education Ltd, Harlow 2007.
• [22] Ferziger J. H., Peric M.: Computational Methods for Fluid Dynamics, Springer, Berlin 2002.
• [23] Pietrak K., Kubiś M., Wiśniewski T. S.: Badanie właściwości cieplnych materiałów ochron osobistych, Zeszyty Naukowe sgsp 2016 – w druku.
• [24] Bugaj M. A., Cieślikiewicz Ł., Wiśniewski T. S. : Badania materiałów odzieży ochronnej będącej w kontakcie z ciałami o podwyższonej temperaturze, Zeszyty Naukowe sgsp 2016 – w druku.
• [25] Roguski J., Błogowski M., Kubis D.: Safety and Fire Technique 2015, nr 39, s. 43 ‒57.
• [26] Banaszek J.: Credibility analysis of computer simulation of complex heat transfer problems, Conference Proocedings of the Numerical Heat Transfer 2005 – Eurotherm Seminar No. 82, 2005, nr 1, s. 141 ‒161.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.