室内沙疗试验系统的三维传热规律研究

佐热姆·拜科日 居来提·买提肉孜 阿依先古力·热合曼

摘   要：通过对沙子进行加热，是否达到与吐鲁番相同或者相近的温度，来判断室内沙疗温度能否代替吐鲁番实地沙疗温度。根据吐鲁番的日出日落，从早上八点半开始加热，把灯的高度升到距沙子表面1m的位置，也同时开始记录温度。此时共用17根T型通道，分别代表埋在不同深度沙子和不同高度空气的温度感应器。可以每10min测量一次温度，并自动记录。这样一直加热到下午八点半，总共12h。到第二天，把灯的高度调到0.7m，重复第一天的过程。然后，将沙疗系统假设为绝热的系统，并将沙疗室的三维简化为沙子和空气相耦合的三维模型，将实验研究所得到的温度作为载荷加到空气和沙疗系统的墙壁，用Ansys软件对沙疗系统进行传热模拟计算。结果表明，当灯源在0.7m时，沙层的温度上升的最高，而且整个温度的分布均显得高上一层，此时沙表的最高温度77℃，实际测量的温度82℃。而1m时沙表的最高温度73℃，实际测量的温度76℃。随着灯源的位置逐步上升，沙层的温度逐步降低。从结果可以发现温度的分布与实际测量相近，符合实验前的预想与假设，这说明室内沙疗温度能代替吐鲁番实地沙疗温度。

关键词：沙疗温度  ansys  传热模拟计算  最佳温度

中图分类号：Q95-33                               文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（c）-0104-04

随着人们生活节奏的日益加快，在医学领域中被发现了各种类似的骨科疾病，骨性关节炎其中之一。而且此疾病的发病率随着年龄的增长而增加，主要发生在中老年人群中。虽然此种疾病历史永久，但却还没找最为有效的治疗方法。因此医治骨性关节炎是医学领域中的难题之一。医治骨性关节炎的方法较多。药物治疗，手术，针灸，推拿[1-4]等等。虽然这些方法缓解疼痛，还是不能够满足患者的需求。最近国内外的研究人员特别重视这个问题，并且开始研究了其他治疗方法，目前我国开始研究通过埋沙来治疗关节炎的另一种治疗方法。

有学者研究了沙疗与沙疗过程中的糖蛋白和血清蛋白量的相关性[5];有学者研究了在外科骨成形术中沙疗对于成骨的效应[6];还有学者研究了患有高血压的患者接受沙疗之后血液动力学的改变情况[7];已有学者研究了骨性疾病患者接受沙浴疗法过程中的心电图[8];综上所述可知，国外的相关研究人员从临床角度出发研究了沙疗对于生物体医学参数的影响。国内也有学者在做这方面的研究。

适当的温度在沙疗过程当中最重要的，所以室外沙疗受到环境的影响，而且只在7～9月份的室外温度适合进行沙疗，这样短时间内不能达到理想的治疗效果。因此我们为了满足广大患者的随时都能进行沙疗的需求，再进一步研究改造出了室内沙疗系统。此室内沙疗系统用辐射灯来代替阳光，而且随时可以控制温度，这样不仅能延长治疗时间，还可以达到科学的沙疗目的。

目前国内外对沙疗的研究不多，已有的也主要在沙疗对人体医学参数的影响及沙疗治病机制的探索。沙疗的影响因素复杂，及其是热、磁、力等多学科因素综合作用的，涉及到很多学科，一些学者从生物力学[9-10]角度出发进行了研究，也有学者对沙疗的热效应[11-12]进行了实验研究和初步的分析计算。本研究对沙疗中的传热过程进行了进一步的研究，建立了沙疗过程中生物体及沙体中热量传递的局部热物理模型，对沙疗中生物体及沙体的温度变化进行了数值模拟，模拟结果对沙疗的临床及建立室内沙疗床具有一定的指导意义。

1  实验材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验对象： 本实验建立室内沙疗实验平台为实验对象，四周的墙壁采用高温隔热板，防止热量的散失;沙疗房尺寸为4m×3.2m*2.2m，板材厚度0.06m。沙疗房的沙层厚度约为0.4m，保证了埋沙深度。沙疗实验系统的简易图如图1所示。

1.1.2 实验仪器与设备：keithley2700数据采集;T型偶丝;计算机; 热辐射源（12只300W的浴霸灯）;沙子（取自新疆吐鲁番）。

1.2 试验方法及过程

1.2.1 建立实验平台

经过实际的计算与研究，我们用木材建立一个4m×3.2m*2.2m的长方体，并在顶部加上了一个三棱柱，形成一个屋体结构。在内部采用了比较耐热的材料，可以进一步保证温度的变化不会太大。在箱体下部采取了0.2m空层，让沙体与地面没法接触，排除了地面温度对沙子的影响。它由12个300W的浴霸灯组成，总共三列四行。这个灯架结构可以尽可能提高加热效率和缩短加热时间。当然在沙体中的不同高度，我们相应埋入了一些温度感应片，并与温度扫描仪连接，随时可以测出沙体不同层次的温度。

1.2.2 加热实验

本实验根据吐鲁番的日出日落规律，从早上八点半开始加热。测试棒上的各个编号分别代表埋在不同深度沙子和不同高度空气的温度感应器。可以每10min测量一次温度。这样一直加热到下午八点半，总共12h。同理总共做了两天的数据采集实验并记录相应的数据。

1.2.3 建立三维模型及传热模拟计算

首先，整个灯架结构当做一个等效平板，在UG软件中建立沙疗系统的简化三维模型。然后把建立好的三维模型导入到Ansys软件，把这个当做一个稳态的问题选择稳态热分析[13-14]系统。设定材料参数和施加边界条件以后进行传热模拟计算。

2  实验结果与分析

2.1 加热实验结果

经过两天数据采集实验，我们得到了大量的原始数据，先对其进行处理和分析，把一些不重要的数据进行简化，缩短数据周期，得到一个更加令人一目了然。这些数据是通过一根测试棒，它上面绑有很多温度感应片。分别于不同的通道连，测试棒简易如图2所示。

通过两幅室内试验系统温度变化曲线图的对比分析可知，117号通道采集的温度变化非常大，由各个通道对应的沙层不同的温度感应片，这117代表了沙表的温度。所以可以看出最高均可以达到将近80℃的温度。当光源的高度达到1m时，可以明显可以看出它与0.7m高度的最高温度有一定的差距。灯源0.7m时温度最高，将近82℃，而灯源1m的时候将近76℃。由2d的温度对比图表可知上午12点之前沙层不同高度的温差不太明显，就是说此时的温度变化不太大。这些充分说明光源在不同高度时加热沙子达到最高温度所需要的时间是不一样的，这个效率是很明显的。同时光源在不同高度时，沙子温度的升降是不一样的。很明显当光源越低时，沙子的温升越是明显，沙子加热的效果越好。

2.2 传热模拟计算结果

首先要查到一些参数，空气、沙子的热传导率为0.024、0.00027w/mm.℃。而且经测量可知沙体的厚度有0.4m，灯架的高度首先考虑为0.7m。当然把这个当做一个稳态的问题，加载的光源可以快速升温到100多℃，但是整个灯架结构当做平板，经测量可知，等效平板为80℃。这是可以把这种灯源当成一个恒温结构，对沙体进行加热。

将沙疗系统假设为绝热的系统，并将沙疗室的三维简化为沙子和空气相耦合的三维模型（见图5），将实验研究所得到的温度作为载荷加到空气和沙疗系统的墙壁并进行传热模拟计算（见图6）。

图7是灯源不同高度下的耦合体，沙表及沙层的温度分布情况，（a）（c）（e）是灯源0.7m时的温度分布云图;（b）（d）（f）是灯源1m时的温度分布云图。从温度分布云图可以发现，两种不同灯源的传热结果有差别，而且很明显。

3  结语

沙疗过程中有很多的假设，比如说沙疗室的保温情况与完全绝热的情况是不相符的。而且沙子在加热过程中会有很多的边界条件，比如说灯光照射到沙疗室内壁后会有些反光，形成二次加热，还有室外的温度对沙疗室的影响也是无法忽略的，而且在加热过程中，灯源的温度也会有些变化。总之这一些条件加起来会对最后的结果产生无法忽略的影响，这也就成为了本次研究的误差所在。

总之，通过以上结果分析可知，当灯源在0.7m时，沙层的温度上升的最高，而且整个温度的分布均显得高上一层，此时沙表的最高温度77℃，实际测量的温度82℃。而1m时沙表的最高温度73℃，实际测量的温度76℃。随着灯源的位置逐步上升，沙层的温度逐步降低，这时还可以发现温度的分布与实际测量相近，符合是实验前的预想与假设。这说明室内沙疗温度能代替吐鲁番实地沙疗温度。

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