İnsan derisi ve itfaiyeci giysisinden oluşan sistemin ısıl modellenmesi
Thermal modeling of the system consisting of human skin and firefighter clothing
Yazar: DENİZ YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. CAN ÖZGÜR ÇOLPAN
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Tekstil ve Tekstil Mühendisliği = Textile and Textile Engineering
Dizin: Isı enerjisi = Heat energy

Özet:
Bu çalışmada insan derisindeki ve itfaiyeci giysisindeki ısı ve nem geçişi incelenmiştir. Öncelikle dört katmandan oluşan insan derisi için, farklı çevresel koşullar altındaki sıcaklık dağılımı bulunmuştur. Bu modelde deri yüzeyinden ışınım, taşınım ve terleme mekanizmaları ile ısı geçişi olmaktadır. Bulunan sıcaklık dağılımına göre dokulardaki hasar oranı incelenmiştir. Sonrasında oluşturulan bu modele nem geçişi de eklenerek model genişletilmiştir. Sıcaklık dağılımı ve derişim dağılımı bulunmuştur. Ayrıca ısıl parametrelerin ve çevre sıcaklığının değiştirilmesi ile cilt içerisindeki sıcaklık ve derişim dağılımının etkilerini incelemek için parametrik bir çalışma yapılmıştır. Yapılan üçüncü modelde ise insan derisi için oluşturulan modele üç katmandan oluşan bir itfaiyeci giysisi eklenmiştir. Giysi katmanları arasında ve insan derisi yüzeyi ile giysi arasında hava katmanı bulunmaktadır. Modelde sıcak gazlara maruz kalınması durumundaki ısı geçişi ele alınmıştır. Yüksek ısı ve alev maruziyeti sırasında dokuda oluşacak hasar oranı Arrhenius yaklaşımı ile hesaplanmıştır. Bu çalışmada ayrıca çeşitli parametrelerin (kıyafet arasındaki hava boşluğu genişliği, gaz sıcaklığı) etkileri incelenmiştir.

     Sayısal çözümleme ticari bir yazılım paketi olan COMSOL Multiphysics programı kullanılarak yapılmıştır. Öncelikle programda geometri oluşturulmuş sonrasında başlangıç ve sınır koşulları tanımlanmıştır. İnsan derisindeki ısı geçişinin hesaplanmasında Pennes biyo-ısı denklemi kullanılmıştır. Programın 'Heat Transfer in Solid' ve 'Transport of Diluted Species' modülünden yararlanılarak sonlu elemanlar yöntemi ile çözümleme yapılmıştır. Oluşturulan modellerde dokuda oluşabilecek olan yanık yaralanmalarının derecesinin tahmin edilmesi amaçlanmıştır.

Abstract:
In this study, heat and moisture transfer in human skin and in firefighter clothing are examined. Firstly, for the human skin consisting of four layers, temperature distribution under different environmental conditions was found. In this model, there is a heat transfer from the skin surface to the radiation, convection and sweating mechanisms. The damage function in the tissue according to the temperature distribution was investigated. This model, created later, was expanded by adding moisture transport. Temperature distribution and concentration distribution were found. In addition, a parametric study was carried out to examine the effect of temperature and concentration distribution in the skin by changing the thermal parameters and ambient temperature. In the third model, a firefighter garment consisting of three layers of models created for human skin was added. There is an air gap between the garment layers and between the human skin surface and the garment. The heat transfer in case of exposure to hot gases is considered in the model. The damage function in the tissue during high temperature and flame exposure is calculated by the Arrhenius approach. In this study, the effects of various parameters (air gap width, gas temperature) were investigated.

     Numerical solution was performed using the COMSOL Multiphysics program. First, the geometry is created in the program and the initial and boundary conditions are defined. The Pennes bio-heat equation was used to calculate the heat transfer in the human skin. The program was analyzed using the finite element method using the 'Heat Transfer in Solid' module and the 'Transport of Diluted Species' module. It is aimed to estimate the number of burn injuries that may occur in the tissue in the created models.