해상 사고에 의한 익수자는 저체온증에 의한 사망 위험에 노출되어 있다. 구명 동의 등을 착용함으로써 부력은 유지할 수 있으나 해수의 낮은 온도에 의한 신체의 열손실은 짧은 시간 내에 체온을 하강시키고 그에 따른 저체온증 사망이 우려된다. 전통적인 구명 동의는 고체형 부력체를 사용하여 부력을 향상 시키고 있으나, 구명 동의에 공기를 채움으로써 부력 및 체온 보존 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 고체형 충진재를 이용한 기존의 비 팽창형 구명 동의와 공기를 채운 팽창형 구명 동의의 단열 성능을 비교하고, 각각의 방법이 체온 변화에 미치는 영향을 정성적으로 평가하고자 한다. 먼저 열저항 모델을 이용한 대략적인 단열 성능의 비교를 실시하고, 유한요소법을 이용하여 Pennes의 신체 열전달 해석을 수행하여 시간에 따른 체온 변화를 수치적으로 검토하였다.
해상 사고에 의한 익수자는 저체온증에 의한 사망 위험에 노출되어 있다. 구명 동의 등을 착용함으로써 부력은 유지할 수 있으나 해수의 낮은 온도에 의한 신체의 열손실은 짧은 시간 내에 체온을 하강시키고 그에 따른 저체온증 사망이 우려된다. 전통적인 구명 동의는 고체형 부력체를 사용하여 부력을 향상 시키고 있으나, 구명 동의에 공기를 채움으로써 부력 및 체온 보존 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 고체형 충진재를 이용한 기존의 비 팽창형 구명 동의와 공기를 채운 팽창형 구명 동의의 단열 성능을 비교하고, 각각의 방법이 체온 변화에 미치는 영향을 정성적으로 평가하고자 한다. 먼저 열저항 모델을 이용한 대략적인 단열 성능의 비교를 실시하고, 유한요소법을 이용하여 Pennes의 신체 열전달 해석을 수행하여 시간에 따른 체온 변화를 수치적으로 검토하였다.
Exposure to cold sea water can be life-threatening to the drowned individual. Although appropriate life jacket can be usually be provided for the buoyance at the drowning accident, heat loss can make the drowned individual experience the hypothermia. Inflatable life jackets filled with inflatable ai...
Exposure to cold sea water can be life-threatening to the drowned individual. Although appropriate life jacket can be usually be provided for the buoyance at the drowning accident, heat loss can make the drowned individual experience the hypothermia. Inflatable life jackets filled with inflatable air pocket can increase the thermal protection as well as the buoyancy force. Because it is important to know how the human body behaves unde the different life jacket, present study compares the thermal insulation capacity of solid type life jacket with that of inflatable life jacket. In order to represent the insulation capacity of life jacket, thermal resistance is estimated based on the assumption of steady-state. Also, a transient three-dimensional thermal distribution of the thigh is analyzed by using finite element method implementing the Pennes bioheat equation. The finite element model is a segmental, multi-layered representation of the body section which considers the heat conduction within tissue, bone, fat and local blood flow rate.
Exposure to cold sea water can be life-threatening to the drowned individual. Although appropriate life jacket can be usually be provided for the buoyance at the drowning accident, heat loss can make the drowned individual experience the hypothermia. Inflatable life jackets filled with inflatable air pocket can increase the thermal protection as well as the buoyancy force. Because it is important to know how the human body behaves unde the different life jacket, present study compares the thermal insulation capacity of solid type life jacket with that of inflatable life jacket. In order to represent the insulation capacity of life jacket, thermal resistance is estimated based on the assumption of steady-state. Also, a transient three-dimensional thermal distribution of the thigh is analyzed by using finite element method implementing the Pennes bioheat equation. The finite element model is a segmental, multi-layered representation of the body section which considers the heat conduction within tissue, bone, fat and local blood flow rate.
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문제 정의
이러한 단점을 보완하기 위해서 공기 팽창식 구명 동의는 신체 면과의 거리가 좁은 밀착형으로써, 해수와 접하는 면을 줄임과 동시에 단열 성능을 가질 수 있을 것으로 예상된다. 본 논문은 비팽창식 구명 동의와 팽창식 구명 동의의 체온 보전 성능을 비교함으로서 각 동의의 열적 특성을 비교하고 해수 입수 시에 체온 저감 효과를 비교하고자 한다.
신체의 복부는 심장, 폐, 위장, 간과 복잡한 혈관 등이 있기 때문에 3차원 형상 및 각장기의 재료 특성을 엄밀하게 반영하여 해석하는 것이 불가능할 뿐만 아니라 정확성도 보장할 수 없다. 본 연구는 우선 피부 및 근육과 뼈만을 고려하여 체온의 정성적인 변화 유형을 살펴보았다. 체온 변화 비교는 대퇴부만을 대상으로 온도 변화와 열 유속 (Heat flux)을 비교함으로써 상대적인 열저항 효과를 비교하고자 한다.
본 연구는 팽창식 구명 동의를 개발함에 있어서 단열 효과의 정성적인 경향을 파악하기 위하여 실시하였다. 이를 위하여 비팽창식 동의가 신체와 해수의 접촉을 막지 못한다는 가정과, 팽창식 동의가 신체와 해수의 접촉을 차단한다는 이상적인 가정을 통해 신체 온도 변화를 분석하였다.
앞 절에서는 각 유형별 단열 성능의 정도를 비교하였으며, 본 절에서는 신체 온도 변화의 정도를 파악하고자 한다. 인체 온도는 각 개인의 연령, 성별, 체중, 신진 대사 상태 등 다양한 조건에 따라 결정되므로 정확하게 정량적인 변화를 추정하기는 어렵다.
앞선 언급한 바와 같이 본 연구의 열전달 해석 목적은 밀착식, 비 밀착형 동의의 착용에 따른 열 유속 비교를 통하여 체온 보존 효과를 비교하고, 대류 열전달 및 열 유속을 비교함으로서 열 손실 정도를 비교함에 있다. Xu et al.
본 연구는 우선 피부 및 근육과 뼈만을 고려하여 체온의 정성적인 변화 유형을 살펴보았다. 체온 변화 비교는 대퇴부만을 대상으로 온도 변화와 열 유속 (Heat flux)을 비교함으로써 상대적인 열저항 효과를 비교하고자 한다.
가설 설정
특히, 신체 피부 조직은 내부 장기, 근육, 피부, 혈관, 뼈 등 매우 복잡한 구조로 구성되어 있다. Fig. 5는 사지의 대략적인 피부 구조이며, 피부조직(skin), 피하지방(Fat), 근윤(Muscle), 그리고 뼈 조직으로 구성되었다고 가정하였다. Fig.
6은 대퇴부(Thigh)의 단면 형상을 보인 것이다. Table 3 은 신체의 일반적인 기하학적 치수를 정리한 것이며 본 연구에서는 대퇴부 직경은 12 cm로 가정하였다. 대퇴부 형상 및 상세한 신체부위의 치수는 기존 논문을 참조하여 Table 4와 같이 가정하였으며, 해석모델의 치수는 Fig.
Table 3 은 신체의 일반적인 기하학적 치수를 정리한 것이며 본 연구에서는 대퇴부 직경은 12 cm로 가정하였다. 대퇴부 형상 및 상세한 신체부위의 치수는 기존 논문을 참조하여 Table 4와 같이 가정하였으며, 해석모델의 치수는 Fig. 6과 Fig. 7에 도시하였다.
본 연구는 팽창식 구명 동의를 개발함에 있어서 단열 효과의 정성적인 경향을 파악하기 위하여 실시하였다. 이를 위하여 비팽창식 동의가 신체와 해수의 접촉을 막지 못한다는 가정과, 팽창식 동의가 신체와 해수의 접촉을 차단한다는 이상적인 가정을 통해 신체 온도 변화를 분석하였다. 해석을 통하여 동의의 단열 성능 보다는 해수와 접촉 차단의 효과가 훨씬 크다는 점과 동의의 적절한 두께 선정 기준을 정리하였다.
제안 방법
(2005)는multi-segment model을 이용하여 신체를 머리, 가슴, 팔, 다리, 손, 발로 나누어 체온 변화를 예측하는 수치 모델을 구성하였으며, 각 신체 부위는 중심(core), 근육, 지방, 그리고 피부로 구성하여 열전도체로 모델링하였다. 이를 통해 신진 대사율의 시간변화를 수치적으로 파악하였다. Xu et al.
이를 위하여 비팽창식 동의가 신체와 해수의 접촉을 막지 못한다는 가정과, 팽창식 동의가 신체와 해수의 접촉을 차단한다는 이상적인 가정을 통해 신체 온도 변화를 분석하였다. 해석을 통하여 동의의 단열 성능 보다는 해수와 접촉 차단의 효과가 훨씬 크다는 점과 동의의 적절한 두께 선정 기준을 정리하였다. 그러나 신체온도 변화에 있어서 정량적인 정확성 보다는 정성적인 변화 위주로 해석한 점은 추후 보완이 필요하며, 실제 동의의 착용 상태 및 간극을 고려한 열손실에 대한 해석도 필요하다고 사료된다.
ANSYS는 식(6)에 제시된 열확산 방정식에 변분법(Variational method) 및 선형 보간 합수를 이용하여 유한요소정식화를 수행한다. 해수와 접한 부분에서의 해류에 의한 대류 열전달 계수, 혈관과 피부/근육조직에서의 대류 열전달조건을 고려하였다. Fig.
데이터처리
해석은 범용 유한요소해석 코드인 ANSYS를 사용하였다. 8-node 6면체 요소이며, 시간 증분은 내연적(implicit) 방법인Crank-Nicolson Method를 이용하였다.
이론/모형
해석은 범용 유한요소해석 코드인 ANSYS를 사용하였다. 8-node 6면체 요소이며, 시간 증분은 내연적(implicit) 방법인Crank-Nicolson Method를 이용하였다. ANSYS는 식(6)에 제시된 열확산 방정식에 변분법(Variational method) 및 선형 보간 합수를 이용하여 유한요소정식화를 수행한다.
성능/효과
본 해석은 팽창형 동의가 신체에 밀착됨으로써 신체 열손실을 최소화할 수 있다는 이상적인 가정을 이용하였기 때문에, 신체가 해수에 직접 접촉될 경우보다 매우 적은 열손실을 보인 것은 당연한 귀결일 수 있다. 그러나 팽창형 동의의 단열에 의한 열손실 방지 효과 보다는 해수의 접촉 차단이 가장 중요한 단열 효과를 보인다는 것을 파악할 수 있었다. 또한 팽창형 동의의 최적 두께는 약 40~50mm 정도가 적절함을 알 수 있었다.
이는 구명 동의의 신체 밀착 정도가 체온 유지에 가장 중요한 역할을 함을 의미한다고 여겨진다. 따라서 단열 성능도 중요하지만, 신체로부터 손실되는 해수에 의한 대류 열손실을 줄이는 것이 가장 효과적임을 반증한다고 할 수 있다.
그러나 팽창형 동의의 단열에 의한 열손실 방지 효과 보다는 해수의 접촉 차단이 가장 중요한 단열 효과를 보인다는 것을 파악할 수 있었다. 또한 팽창형 동의의 최적 두께는 약 40~50mm 정도가 적절함을 알 수 있었다.
16에 정리하였다. 피부에서의 온도는 1시간 경과 후의 온도이며, 공기층이 50mm 미만에서의 온도 변화량이 50mm 이상에서의 온도 변화량 보다 큰 것을 확인 할 수 있으며, 50mm이상에서는 공기층의 두께가 온도변화에 크게 영향을 미치지 않는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 50mm가 두께를 결정하기위한 적정 공기층임을 확인 할 수 있다.
후속연구
해석을 통하여 동의의 단열 성능 보다는 해수와 접촉 차단의 효과가 훨씬 크다는 점과 동의의 적절한 두께 선정 기준을 정리하였다. 그러나 신체온도 변화에 있어서 정량적인 정확성 보다는 정성적인 변화 위주로 해석한 점은 추후 보완이 필요하며, 실제 동의의 착용 상태 및 간극을 고려한 열손실에 대한 해석도 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
익수자가 견딜 수 있는 평균시간은 어떻게 되는가?
이에 따라 특정한 온도 보다 더 낮은 저체온증으로 인한 생명의 위협이 따르기도 한다. 일반적으로 저체온증은 체온보다 차가운 물속에 인체가 잠겨 있고, 특히, 섭씨 21[℃]이하) 발생하고 중심체온이 35[℃]이하로 내려가면 심장, 뇌, 폐, 기타 생명에 중요한 장기의 기능이 저하되기 때문에 익수자가 견딜 수 있는 평균시간은 해수온도가 -1[℃] 이하일 때 15분 미만, 4[℃]에서는 90분, 10[℃] 미만에서는 3시간, 16[℃]에서는 6시간 정도로 알려져 있다(Kim, 2005).
저체온증의 발생원인과 그 증상은 무엇인가?
이에 따라 특정한 온도 보다 더 낮은 저체온증으로 인한 생명의 위협이 따르기도 한다. 일반적으로 저체온증은 체온보다 차가운 물속에 인체가 잠겨 있고, 특히, 섭씨 21[℃]이하) 발생하고 중심체온이 35[℃]이하로 내려가면 심장, 뇌, 폐, 기타 생명에 중요한 장기의 기능이 저하되기 때문에 익수자가 견딜 수 있는 평균시간은 해수온도가 -1[℃] 이하일 때 15분 미만, 4[℃]에서는 90분, 10[℃] 미만에서는 3시간, 16[℃]에서는 6시간 정도로 알려져 있다(Kim, 2005).
비 팽창식의 통상적인 구명 동의의 단점을 보완하기 위한 방법은 무엇인가?
통상적인 구명 동의는 비팽창식으로 익수자의 부력을 확보하기 위하여 폴리우레탄 폼을 이용하고 있으나, 신체 밀착도가 떨어지고 해수가 접하는 신체 면과 넓어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 공기 팽창식 구명 동의는 신체 면과의 거리가 좁은 밀착형으로써, 해수와 접하는 면을 줄임과 동시에 단열 성능을 가질 수 있을 것으로 예상된다. 본 논문은 비팽창식 구명 동의와 팽창식 구명 동의의 체온 보전 성능을 비교함으로서 각 동의의 열적 특성을 비교하고 해수 입수 시에 체온 저감 효과를 비교하고자 한다.
참고문헌 (8)
Kim, M. J.(2008), "Numerical Analysis on Body Temperature Change with Heating Life Vest", Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 14, No. 3, pp. 241-245.
Kim, K. W., Jang C. M., Park, J. O., and Lee, H. J. (2014), "A Study on the Development of Inflatable Life Raft Performance Criteria for Small Fishing Vessels", Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 20, No. 5, pp. 558-563.
Mak, L., Kuczora, A., DuCharme, M. B., Boone, J., Brown, R., Farnworth, B., and MacKinnon, S.(2008), "Assessment of Thermal Protection of Life rafts in Passenger Vessel Abandonment Situations", Proceedings of ASME 2008 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, American Society of Mechanical Engineers. pp. 389-398.
Pennes, H.H. (1948), "Analysis of tissue and arterial blood temperatures in resting human forearm", Journal of Applied Physiology, Vol. 1, pp. 93-122.
Tikuisis, P., Jacobs, I., Moroz, D., Vallerand, A.L., and Martineau, L.(2000), "Comparison of thermoregulatory responses between men and women immersed in cold water", Journal of Applied Physiology, Vol. 89, No.4, pp. 1403-1411.
Xu, X., Tikuisis, P., Gonzalez, R., and Giesbrecht, G. (2005), "Thermoregulatory model for prediction of long-term cold exposure", Computers in Biology and Medicine, Vol. 35, No. 4, pp. 287-298.
Xu, X., Turner, C. A. and Santee, W. R. (2011), "Survival time prediction in marine environments", Journal of Thermal Biology, Vol. 36, No. 6, pp. 340-345.
Yildirim, E. D., and Ozerdem, B. (2008), "A numerical simulation study for the human passive thermal system", Energy and Buildings, Vol. 40, No. 7, pp. 1117-1123.
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