Исследование процессов теплопродукции и теплообмена.

 M=E+-R+-C+-K +-W+-S;

M –теплопродукция;

E – теплоотдача испарением

R- теплоотдача теплоприток излучение

C – теплоотдача теплоприток конвекция

K – теплоотдача теплоприток за счет проводимости

S – накопленное тепло

  Математическое моделирование тепловых процессов у человека.

  Рассматривается общая характеристика проблемы теплового состояния системы «человек-окружающая среда» в экстремальных ситуациях космического полета и модельного эксперимента.

в настоящее время социальный заказ на разработку «технологии жизни» в закрытых помещениях неизмеримо вырос. Для герметично замкнутых объектов это в наибольшей мере связано с решением задач на стыке науки о жизни и техники. Вопросы теплового баланса тела человека со средой обитания в замкнутом пространстве, когда физиологически значимо изменяются основные физические параметры среды обитания, являются первостепенными по значимости, но и системно наименее изученными.

В практической космонавтике тепловой дискомфорт постоянно отмечался экипажами как по времени (1-3 сутки, после 2-х месяцев и т.д), так и по месту обитания. В космической медицине продолжали накапливаться сведения о неустойчивых тепловых состояниях и широком диапазоне индивидуальных реакций теплового гомеостаза космонавтов на борту космических станций.

В основном вторая глава посвящена описанию двух основных частей общей модели «человек – среда обитания»: модели гермообъекта, как среды обитания человека-испытателя, и модели самого человека.

Гермокабина (ее обитаемая часть) представлена в виде вытянутого вдоль оси помещения, имеющего ряд входных и выходных отверстий с находящимся внутри экипажем. Исходное уравнение энергии имеет вид (запись в дивергентной форме):

                         (1)

при этом движение газа имеет направление преимущественно вдоль оси гермообъекта.

Интегрируем его по поперечной площади F(x).

 

                 (2)

Рассмотрев уравнение 2 и проведя преобразования исходных слагаемых получаем:

                           (3)

Это одномерное уравнение параболического типа с переменными коэффициентами.

Так как рабочая часть гермокабины представляет собой «коридор» с постоянной площадью сечения, вентиляция которого организована так, что с одного торца идет вдув, а с другого сброс газа, тогда можно считать скорость постоянной во всем объеме, то уравнение (3) будет линейным:

                      (4)

Оно имеет постоянные коэффициенты и линейно, что обуславливает возможность его аналитического решения.

Исходя из геометрических характеристик модуля, его технических и функциональных особенностей выделим несколько расчетных зон (отсеков) (Рис 1.)

Используя метод конечных разностей для каждой из расчетных зон запишем уравнения теплового баланса:

,  (5)

,                                                                    (6)

где - плотность и теплоемкость среды (воздух);

 - объем рассматриваемой расчетной зоны;

 - температура расчетной зоны;

- средний расход через расчетную зону;

- температура i-го участка стенки расчетной зоны.

Схема алгоритма расчета, представленная на Рис.2, включает в себя необходимые площади теплообмена, учет расположения источников тепла и кабинных теплообменников. Алгоритм решения задачи моделирования предполагает, в соответствии с устройством реального модуля, что источники тепла находятся в рабочей зоне, а кабинные теплообменники – в зоне вентиляционного канала. В соответствии с принятой схемой движения воздуха при работе системы вентиляции идет индексация входных и выходных температур для соответствующих элементарных объемов.

За основу математической модели нестационарного влагообмена в данной работе принята узловая модель, получаемая путем аппроксимации методом прямых уравнения сохранения концентраций вещества системой обыкновенных дифференциальных уравнений.

Уравнение баланса для i – го элементарного объема газа с учетом граничных условий имеет вид:

                              (7)

где -объем выделенного элемента газа, - количество влаги, выделившееся в i- ом объеме от членов экипажа или других источников, поглощенного ХСА или регенерационными патронами, - количество влаги, поступающее к i- му объему газа посредством конвективного влагообмена с пористыми элементами конструкции, - молярный перенос влаги между соседними объемами газа.

Оценка теплового состояния организма человека возможна только на основе совместного исследования действия физиологических, химических, физических процессов, которые создают динамическое регулирование теплового состояния организма человека, представляемое как саморегулирование организма, а математическое моделирование процесса теплообмена необходимо рассматривать как сопряженную задачу тепло- и массопереноса, в которой внутренний теплообмен связан с внешним.

При построении математической модели человека на основе анализа большого количества опубликованных результатов физиологических исследований были приняты следующие допущения:

1). Пронизанный крупными и мелкими сосудами организм человека представлен как сложнейший теплообменник с сосудамитрубками, окруженными теплопроводящей тканью, содержащей источник теплоты. Регулятором изменения тепловых характеристик сосудистой системы принят приведенный метаболизм и его изменения.

2). Организм человека представлен в виде цилиндра, который состоит из трех компартментов: серцевина (ядро) 1 с температурой , скелетная мускулатура 2 с температурой ,кожа (оболочка) 3 с температурой . На тело одето белье 4, имеющее температуру  . Расчетная схема, использованная для составления уравнений математической модели человека.

3) Каждый компартмент организма обладает гомогенными и изоморфными свойствами и представляет собой объем, имеющий цилиндрическую форму. Объем выбирается так, чтобы вес, площадь поверхности, толщина и так далее соответствовали эквивалентными данными моделируемому объекту. Внутренние органы выделяют до 70% теплоты. Скелетные мышцы имеют низкую теплопродукцию, но приобретают определенную роль при сократительном термогенезе. Кости представляют тепловую емкость. Кожножировая складка обладает большим термическим сопротивлением и с кожи уходит около 90% теплоотдачи. Теплоотдача в виде длинноволнового инфракрасного излучения, испускаемого кожей (в котором, не принимает участие проводящая среда) при  описывается линейной зависимостью. Причем в ней принимает участие 3/5 поверхности тела. 2/5 поверхности тела передает тепло инфракрасным излучением, через специализированную хлопчатобумажную ткань (0.6 КЛО). Испарением пота через одежду пренебрегаем.Теплопередача кондукцией между торцевыми поверхностями мала, так как площади оснований цилиндра несоизмеримо меньше площадей их боковых поверхностей.

Учитывая эти допущения уравнение теплового баланса i-го обобщенного компартмента включает образование теплоты в результате метаболических реакций  теплопередачу кондукцией между смежными компартментами приходящим  и уходящим  потоками, теплообмен кожи со средой конвекцией ,испарением , радиацией , теплоту накопленную компартментом :

= + - - - -         (8)

Изменения величины испарения потоотделения задавалась площадью поверхности испарения и определялась откликами изменения температуры кожи. В качестве стимула сосудистой реакции изменения кожного кровотока выбрана температуры ядра и кожи. Основные расчетные характеристики модели получены из литературного анализа модельных экспериментов Столвика (1966-1971).

Для состояния относительного покоя модель каждой из зон управления: (ядро-скелетная мускулатура-оболочка)  имеет вид:

ядро:

мышцы:                                    (9)

оболочка: ,  

где q_no, q_mn - соответственно основного обмена и мышечной деятельности;q _w , q _c , q _i , q_r  - соответственно интенсивности респираторного, конвективного, испарительного и радиационного теплообмена; c,m,T – темплоемкость, масса и температура узла;

индексы cr,m,sk - относятся к ядру, мышце и оболочке тела.

Математическое описание модели человека представляет собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений 4 порядка и алгебраических уравнений связи. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений описывающих систему терморегуляции сводится к решению задачи Коши.  

 

Метод распознавания образов. Обнаружение и локализация микроорганизмов на изображении (элементы системы принятия решений).  

Методы диагностики микрофлоры до недавнего времени развивались главным образом на основе классических схем микробиологического анализа, который сводится к отправке микробиологических проб на Землю, в лабораторию, с выделением в чистой культуре возбудителя и последующей его идентификации по биохимическим, тинкториальным, антигенным и другим характерным свойствам. Многоэтапность этих анализов обусловливает их длительность и практически исключает экспрессность, удовлетворяющую космическим исследованиям. Длительность микробиологического анализа составляет, как минимум, несколько дней.

Экспресс-индикация - это своеобразная разведка большой армии лабораторной диагностики. Она находится на переднем крае научного поиска новых, простых, экономичных, быстрых методов индикации микробов, часть из которых в дальнейшем идет на вооружение лабораторной практики и благодаря этому последняя все время совершенствуется.

Основные объективные требования к экспрессным методам диагностики микрофлоры сводятся к следующему:

· получение результатов анализа в максимально короткие сроки (часы, идеально, минуты);

· возможность проведения и завершения анализа без выделения искомого микроорганизма в чистой культуре, при использовании только нативного материала, в крайнем случае-с привлечением элективных биосред для быстрого накопления возбудителей;

· бесспорно высокая специфичность и высокая чувствительность, как предпосылки надлежащей достоверности анализа;

· высокая производительность, простота, доступность и воспроизводимость анализов. Эти требования в равной мере применимы и к методам экспрессной диагностики состояний иммунитета.

В условиях космического пространства наиболее перспективным методом идентификации микроорганизмов является оптическое определение по форме колоний на основе математического метода распознавания образа.

 

Основы математического метода распознавания образа.

Способность «распознавать» считается основным свойством человеческих существ, как, впрочем, и других живых организмов. Образ представляет собой описание объекта. В соответствии с характером распознаваемых образов акты распознавания можно разделить на два основных типа: распознавание конкретных объектов и распознавание абстрактных объектов.

В задачах распознавания образов можно выделить два основных направления.

Изучение способностей к распознаванию, которыми обладают человеческие существа и другие живые организмы.

Развитие теории и методов построения устройств, предназначенных для решения отдельных задач распознавания образов в определенных прикладных областях.

Первое направление связано с такими дисциплинами, как психология, физиология и биология, второе же, которым мы и займемся, имеет дело в первую очередь с техникой, вычислительными машинами и информатикой.

Вообще образ — это описание любого элемента как представителя соответствующего класса образов. В случае, когда множество образов разделяется на непересекающиеся классы, желательно использовать для отнесения этих образов к соответствующим классам какое-либо автоматическое устройство.