Transcript Document 7154243

การวิเคราะห์ และการเปรียบเทียบการกระจายของอุณหภูมิและการไหล
ของอากาศภายในตู้อบเด็กแรกเกิด โดยระเบียบวิธีไฟไนท์ อลิ เิ มนท์
Air flow and Thermal distribution in An
Infant incubator Analysis
By Using Finite Element Method
ณิชาภัทร ช่วยชูหนู สมศรี ดาวฉาย
รศ.ดร.มนัส สั งวรศิลป์ , รศ.ดร.ชู ชาติ ปิ ณฑวิรุจน์
หลักสูตร วศ.ม. สาขาวิชาวิศวกรรมอิเล็กทรอนิกส์ชีวการแพทย์
คณะวิศวกรรมศาสตร์
สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง
Outline
Introduction
Theory
Model and Metrology
Simulation & Results
Future work
Introduction
ส่วนต่างๆ ของตูอ้ บเด็ก
แบ่งเป็ น 3 ส่วนใหญ่ๆ
 ห้ องใช้ งาน (Infant Chamber/Hood)
 ห้ องควบคุม (Control Unit/Section)
 ตู้ (Cabinet)
Hood
Control
Cabinet
ความรูท้ วั ่ ไปเกีย่ วกับตูอ้ บเด็ก
 ทารกคลอดก่อนกาหนด (premature baby)
นา้ หนักตัวน้ อย, การเจริญเติบโตยังไม่สมบูรณ์
ทารก <750 กรัม – >2000 กรัม
 เป็ นตู้ควบคุมสิ่งแวดล้ อมให้ ทารก
อุณหภูมิ,
ความชื้น
ครรภ์มารดา
การหมุนเวียนอากาศ
วัตถุประสงค์และการใช้ งาน
 ขณะใช้ งาน  สะดวก รวดเร็ว
 อุณหภูมิ การกระจายความร้ อนสม่าเสมอ อุณหภูมิคงที่
 ระบบการไหลเวียนอากาศ ไหลเวียนผ านทารก เครื่ องทาความร้อน เย็น
 ป องกันการกระจายของเชื้อโรค  เครื่ องกรองอากาศ 0.3 ไมครอน
 เพิม่ ความชื้นของอากาศ  อากาศไหลเวียนผ านภาชนะที่บรรจุน้ าไว้
ทฤษฎีเบื้องต้ น
 สมดุลย ความร อนทางสรี รวิทยา
ทารก  35.5 C ถึง 37.5C เท านั้น
จากสมดุลย ของพลังงานความร อนที่ถูกสร างขึ้นในร างกาย
กับการสู ญเสี ยความร อนจากเนื้อเยือ่ ร างกายไปยัง บรรยากาศภายนอก
 การสร างความร อนในร างกาย
ทารกปกติ พลังงานความร อนสู งสุ ดได ถึง 4.5 ถึง 5 W/kg
เพื่อปกป องทารกจากสิ่ งคุกคาม
 การสูญเสียความร อน
- การนาความร อน (Conduction) วัตถุอุณหภูมิสูงมาสัมผัสกับวัตถุที่อุณหภูมิต่ากว า
- การพาความร อน (Convection)  ทารกสัมผัสกับกระแสลมที่มีอุณหภูมิต่า
- การแผ รังสี (Radiant)  ทารกมีการแผ รังสี ไปยังวัตถุโครงสร างที่มีอุณหภูมิต่ากว า
โดยรอบ
Infant Incubator
Infant Incubator
Infant Incubator
Infant Incubator
ลักษณะของ HOOD แบบต่ างๆ
Single wall
Double wall
ไฟไนท์ อลิ เิ มนท์ กบั การแพทย์
 การวิเคราะห์พฤติกรรมการไหลของของเหลวในร่ างกาย
 ระบบการหายใจและการแลกเปลี่ยนก๊าซ
 การวิเคราะห์ความเครี ยดของฟันเพื่อใช้ออกแบบในกาสังเคราะห์
วัสดุทางทันตกรรม
 การกระจายอุณหภูมิในดวงตามนุษย์
 ฯลฯ
การใช้ วธิ ีไฟไนท์ อลิ เิ มนท์ ในการวิเคราะห์
การกระจายอุณหภูมแิ ละการไหลของอากาศ
ภายในตู้อบเด็กแรกเกิด
Variables: Temperature, Velocity Field
Theory of Fluid Mechanics and Heat Transfer
Air flow velocity
Fluid Mechanics
Incompressible Navier-Stokes Equation
Temperature
Heat Transfer
Conduction and Convection Equation
Incompressible Navier-Stokes Equation
u
2
ρ
 η u + ρ(u )u + p  F
t
ρ
u
t
Density (kg/m3)
Velocity Field (m/s)
Time (s)
Fluid Dynamics
η
p
F
Dynamic Viscosity(Ns/m2)
Pressure (Pa)
Volume Force Field (N/m3)
Conduction and Convection Equation
T
ρC
   (k T  ρCTu)  Q
t
T Temperature (K)
Q Heat Source (W)
C Heat Capacity (J/kgK)
K Isotropic Thermal Conductivity (W/mK)
Heat Transfer
Comsol multiphysics 3.4 a
4. Finite Element Method
Partial Differential Equation (PDE)
Boundary Condition
จากผลการวิจยั ที่ผา่ นมา
Cubic shape
Pentagon shape
semi-hexagonal shape
velocity fields inside the incubator of each model
Stream Line
Dome Shape
Hexagonal Shape
Temperature plot at head, body, foot of infant
Hexagonal Shape
Dome Shape
Incubator Model
Infant Model
โมเดลทารกนั้นสร้างจาก โปรแกรม 3dsmax และ Unigraphics NX
Material name
Axial initial velocity of the air
Air density
Heat capacity of the air
Thermal conductivity of the air
Viscosity of the air
Thermal expansion coefficient of the air
Air
uz = 0.41
ρa = 1.43
cp,a = 1006
ka = 0.0268
μa = 1.90 x 10-5
β = 0.003326
[m/s]
[kg/m3]
[J/kgK]
[W/mK]
[kg/ms]
[1/K]
Material name
Infant
Newborn’s weight
1500
(kg)
Newborn’s height
0.4
(m)
Age
1
(days)
Gestation
32
(weeks)
Tissue conductivity
0.34
[W/mK]
Tissue density
1000
[kg/m3]
Tissue specific heat
4000
[J/kgK]
Blood perfusion rate
1.8
(kg m-3 s-1)
Blood density
1050
[kg/m3]
Blood specific heat
3800
[J/kgK]
Initial temperature
308
K
Boundary condition of fluid dynamics
Fluid Dynamics
Boundary Condition
Inflow
u = u0
Outflow
P0=0
Chamber
u=0
Infant model
u=0
Boundary condition of heat transfer
Fluid Dynamics
Boundary Condition
Inflow
Temperature
Outflow
Convective Flux
Chamber
Thermal insulator
Infant model
Temperature
Mesh of model
Initial value
การไหลของอากาศ
อุณหภูมภิ ายใน
Body
Head
Foot
แสดงอุณหภูมิของทารกเปรี ยบเทียบบริ เวณ ศีรษะ ลาตัว และเท้า
Improvement
 Other parameter, humid, Heat Loss
 Real Situation and parameter,infant,room
 Simulink with mathlab Control temperature
END