室內沙療試驗系統的三維傳熱規律研究

佐熱姆·拜科日 居來提·買提肉孜 阿依先古力·熱合曼

摘? ?要：通過對沙子進行加熱，是否達到與吐魯番相同或者相近的溫度，來判斷室內沙療溫度能否代替吐魯番實地沙療溫度。根據吐魯番的日出日落，從早上八點半開始加熱，把燈的高度升到距沙子表面1m的位置，也同時開始記錄溫度。此時共用17根T型通道，分別代表埋在不同深度沙子和不同高度空氣的溫度感應器。可以每10min測量一次溫度，并自動記錄。這樣一直加熱到下午八點半，總共12h。到第二天，把燈的高度調到0.7m，重復第一天的過程。然后，將沙療系統假設為絕熱的系統，并將沙療室的三維簡化為沙子和空氣相耦合的三維模型，將實驗研究所得到的溫度作為載荷加到空氣和沙療系統的墻壁，用Ansys軟件對沙療系統進行傳熱模擬計算。結果表明，當燈源在0.7m時，沙層的溫度上升的最高，而且整個溫度的分布均顯得高上一層，此時沙表的最高溫度77℃，實際測量的溫度82℃。而1m時沙表的最高溫度73℃，實際測量的溫度76℃。隨著燈源的位置逐步上升，沙層的溫度逐步降低。從結果可以發現溫度的分布與實際測量相近，符合實驗前的預想與假設，這說明室內沙療溫度能代替吐魯番實地沙療溫度。

關鍵詞：沙療溫度? ansys? 傳熱模擬計算? 最佳溫度

中圖分類號：Q95-33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（c）-0104-04

隨著人們生活節奏的日益加快，在醫學領域中被發現了各種類似的骨科疾病，骨性關節炎其中之一。而且此疾病的發病率隨著年齡的增長而增加，主要發生在中老年人群中。雖然此種疾病歷史永久，但卻還沒找最為有效的治療方法。因此醫治骨性關節炎是醫學領域中的難題之一。醫治骨性關節炎的方法較多。藥物治療，手術，針灸，推拿[1-4]等等。雖然這些方法緩解疼痛，還是不能夠滿足患者的需求。最近國內外的研究人員特別重視這個問題，并且開始研究了其他治療方法，目前我國開始研究通過埋沙來治療關節炎的另一種治療方法。

有學者研究了沙療與沙療過程中的糖蛋白和血清蛋白量的相關性[5];有學者研究了在外科骨成形術中沙療對于成骨的效應[6];還有學者研究了患有高血壓的患者接受沙療之后血液動力學的改變情況[7];已有學者研究了骨性疾病患者接受沙浴療法過程中的心電圖[8];綜上所述可知，國外的相關研究人員從臨床角度出發研究了沙療對于生物體醫學參數的影響。國內也有學者在做這方面的研究。

適當的溫度在沙療過程當中最重要的，所以室外沙療受到環境的影響，而且只在7～9月份的室外溫度適合進行沙療，這樣短時間內不能達到理想的治療效果。因此我們為了滿足廣大患者的隨時都能進行沙療的需求，再進一步研究改造出了室內沙療系統。此室內沙療系統用輻射燈來代替陽光，而且隨時可以控制溫度，這樣不僅能延長治療時間，還可以達到科學的沙療目的。

目前國內外對沙療的研究不多，已有的也主要在沙療對人體醫學參數的影響及沙療治病機制的探索。沙療的影響因素復雜，及其是熱、磁、力等多學科因素綜合作用的，涉及到很多學科，一些學者從生物力學[9-10]角度出發進行了研究，也有學者對沙療的熱效應[11-12]進行了實驗研究和初步的分析計算。本研究對沙療中的傳熱過程進行了進一步的研究，建立了沙療過程中生物體及沙體中熱量傳遞的局部熱物理模型，對沙療中生物體及沙體的溫度變化進行了數值模擬，模擬結果對沙療的臨床及建立室內沙療床具有一定的指導意義。

1? 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗對象： 本實驗建立室內沙療實驗平臺為實驗對象，四周的墻壁采用高溫隔熱板，防止熱量的散失;沙療房尺寸為4m×3.2m*2.2m，板材厚度0.06m。沙療房的沙層厚度約為0.4m，保證了埋沙深度。沙療實驗系統的簡易圖如圖1所示。

1.1.2 實驗儀器與設備：keithley2700數據采集;T型偶絲;計算機; 熱輻射源（12只300W的浴霸燈）;沙子（取自新疆吐魯番）。

1.2 試驗方法及過程

1.2.1 建立實驗平臺

經過實際的計算與研究，我們用木材建立一個4m×3.2m*2.2m的長方體，并在頂部加上了一個三棱柱，形成一個屋體結構。在內部采用了比較耐熱的材料，可以進一步保證溫度的變化不會太大。在箱體下部采取了0.2m空層，讓沙體與地面沒法接觸，排除了地面溫度對沙子的影響。它由12個300W的浴霸燈組成，總共三列四行。這個燈架結構可以盡可能提高加熱效率和縮短加熱時間。當然在沙體中的不同高度，我們相應埋入了一些溫度感應片，并與溫度掃描儀連接，隨時可以測出沙體不同層次的溫度。

1.2.2 加熱實驗

本實驗根據吐魯番的日出日落規律，從早上八點半開始加熱。測試棒上的各個編號分別代表埋在不同深度沙子和不同高度空氣的溫度感應器?？梢悦?0min測量一次溫度。這樣一直加熱到下午八點半，總共12h。同理總共做了兩天的數據采集實驗并記錄相應的數據。

1.2.3 建立三維模型及傳熱模擬計算

首先，整個燈架結構當做一個等效平板，在UG軟件中建立沙療系統的簡化三維模型。然后把建立好的三維模型導入到Ansys軟件，把這個當做一個穩態的問題選擇穩態熱分析[13-14]系統。設定材料參數和施加邊界條件以后進行傳熱模擬計算。

2? 實驗結果與分析

2.1 加熱實驗結果

經過兩天數據采集實驗，我們得到了大量的原始數據，先對其進行處理和分析，把一些不重要的數據進行簡化，縮短數據周期，得到一個更加令人一目了然。這些數據是通過一根測試棒，它上面綁有很多溫度感應片。分別于不同的通道連，測試棒簡易如圖2所示。

通過兩幅室內試驗系統溫度變化曲線圖的對比分析可知，117號通道采集的溫度變化非常大，由各個通道對應的沙層不同的溫度感應片，這117代表了沙表的溫度。所以可以看出最高均可以達到將近80℃的溫度。當光源的高度達到1m時，可以明顯可以看出它與0.7m高度的最高溫度有一定的差距。燈源0.7m時溫度最高，將近82℃，而燈源1m的時候將近76℃。由2d的溫度對比圖表可知上午12點之前沙層不同高度的溫差不太明顯，就是說此時的溫度變化不太大。這些充分說明光源在不同高度時加熱沙子達到最高溫度所需要的時間是不一樣的，這個效率是很明顯的。同時光源在不同高度時，沙子溫度的升降是不一樣的。很明顯當光源越低時，沙子的溫升越是明顯，沙子加熱的效果越好。

2.2 傳熱模擬計算結果

首先要查到一些參數，空氣、沙子的熱傳導率為0.024、0.00027w/mm.℃。而且經測量可知沙體的厚度有0.4m，燈架的高度首先考慮為0.7m。當然把這個當做一個穩態的問題，加載的光源可以快速升溫到100多℃，但是整個燈架結構當做平板，經測量可知，等效平板為80℃。這是可以把這種燈源當成一個恒溫結構，對沙體進行加熱。

將沙療系統假設為絕熱的系統，并將沙療室的三維簡化為沙子和空氣相耦合的三維模型（見圖5），將實驗研究所得到的溫度作為載荷加到空氣和沙療系統的墻壁并進行傳熱模擬計算（見圖6）。

圖7是燈源不同高度下的耦合體，沙表及沙層的溫度分布情況，（a）（c）（e）是燈源0.7m時的溫度分布云圖;（b）（d）（f）是燈源1m時的溫度分布云圖。從溫度分布云圖可以發現，兩種不同燈源的傳熱結果有差別，而且很明顯。

3? 結語

沙療過程中有很多的假設，比如說沙療室的保溫情況與完全絕熱的情況是不相符的。而且沙子在加熱過程中會有很多的邊界條件，比如說燈光照射到沙療室內壁后會有些反光，形成二次加熱，還有室外的溫度對沙療室的影響也是無法忽略的，而且在加熱過程中，燈源的溫度也會有些變化。總之這一些條件加起來會對最后的結果產生無法忽略的影響，這也就成為了本次研究的誤差所在。

總之，通過以上結果分析可知，當燈源在0.7m時，沙層的溫度上升的最高，而且整個溫度的分布均顯得高上一層，此時沙表的最高溫度77℃，實際測量的溫度82℃。而1m時沙表的最高溫度73℃，實際測量的溫度76℃。隨著燈源的位置逐步上升，沙層的溫度逐步降低，這時還可以發現溫度的分布與實際測量相近，符合是實驗前的預想與假設。這說明室內沙療溫度能代替吐魯番實地沙療溫度。

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