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冷冻业界里构件材料冷化试验及原理探讨

时间:2016-07-16????阅读:1359
核心提示:伴随有相变的传热问题在许多工业领域有着十分重要的应用,例如:焊接、铸造、蓄能及食品工程等。在生物医学方面的应用主要集中在
?伴随有相变的传热问题在许多工业领域有着十分重要的应用,例如:焊接、铸造、蓄能及食品工程等。在生物医学方面的应用主要集中在低温保存和低温冷冻外科。它们分别利用了低温对生物细胞和组织产生的两种截然不同的作用:一方面,一定的低温可以充分降低细胞的新陈代谢能力,达到长期保存的目的;另一方面,在降低到某一温度和恢复到常温的过程中,由于细胞内外水分的结晶和晶体的融化、再结晶;细胞膜中蛋白分子的变性;电解质的浓缩和热冲击等原因,会造成组织和细胞的损伤或死亡,而这两种作用都与细胞或组织冻结时经历的热过程包括降温速率、复温速率、达到的最低温度和持续时间等有关。因此,针对这些热力参数对生物组织冷冻相变过程进行分析计算,加深对生物细胞和组织冷冻损伤的认识,对提高冷冻保存的效果和冷冻外科手术疗效均显得尤其重要。
 

生物组织是一种高度非理想介质,即其相变并非发生在某一特定温度(理想介质),而是在较大的温度区间内发生,上限在 ,下限约在,对于活体组织冻结过程,还应考虑组织内的血流灌注和代谢产热,加上相变问题在数学上是非线性的,因此对生物组织冻结过程进行精确求解十分困难,只对一维反问题得到过精确解,而生物组织的多维冻结问题则只能求助于数值解法。
数值求解多维相变问题的方法主要分为两大类:能量守恒法。
和焓法。本文应用焓法,以冷冻外科为应用背景,对模拟生物组织多维冻结过程进行有限元计算(不计血流灌注和代谢产热),对其物性(非理想介质)进行特殊处理,计算结果与实验值进行了比较,符合较好。进一步分析了实验时冷刀壁面降温规律下组织内温度梯度的变化和冷刀所需的理论冷量。
4数学模型针对细长柱形冷刀周围组织的相变过程,我们作以下前提假设:对于单支冷刀,采用轴对称柱坐标;23组织中的相变发生在一定的温度区间"内4 2%3导热系数在相变温度区内呈线形变化,在冻结区和未冻区分别保持恒定;比热在相变区域随温度呈线性变化;2+3潜热在相变区域内线性释放;203针对模拟生物组织,作为初步分析,暂不考虑组织中的血流灌注和代谢产热;2/3组织相变时无密度变化(无对流换热)。
传统的能量守恒法在求解相变问题时,以温度为独立变量,要分别对冻结区和未冻结写出热传导方程,并在相变界面由能量守恒方程来耦合!"",可分析理想介质的相变过程,处理相变不是发生在某一特定温度而是发生在一个温度区间上的问题较为困难。本文采用的是焓法,焓法是以焓和温度为变量,整个相变区域,包括冻结区、未冻区和相变界面均由一个方程来描述
使求解更为方便,而本质与能量方程是一致的。

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