敦煌莫高窟微環(huán)境控制方式的CFD仿真與實(shí)驗

張春庭++蘇伯民++張正模

內(nèi)容摘要：為了確保對洞窟的控制方式和控制量不會對壁畫和塑像有任何程度的損害，采用計算流體力學(xué)CFD技術(shù)對洞窟微環(huán)境引入的控制手段進(jìn)行分析，結(jié)果表明主動抽風(fēng)產(chǎn)生的氣壓以及壁畫表面的風(fēng)速都比主動送風(fēng)方式要小。在對第131窟所做的空氣交換率實(shí)驗證實(shí)了CFD的分析結(jié)果。因此主動抽風(fēng)控制方式在中小洞窟對于減小空氣濕度以及降低二氧化碳濃度都具有良好的作用，同時對洞窟內(nèi)的文物影響很小。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué)；主動抽風(fēng)；主動送風(fēng)

中圖分類號：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4106（2017）06-0167-05

The CFD Simulation and Test of the Control Mode of the Mogao Grottoes Micro Environment

ZHANG Chunting1 SU Bomin2 ZHANG Zhengmo2

（1. Instrumention Technology and Economy Institute， Beijing 100055；

2. Dunhuang Acadmy，Gansu， Dunhuang 736200）

Abstract： In order to ensure that the control method and control variable of the caves will not damage the murals and statues to any degree， CFD technology was used to analyze the control means of the caves micro environment. The analysis results show that active ventilation creates lower pressure and mural surface wind speed than active air supply. The air exchange experiment in cave 131 confirms the results of CFD analysis. It can thus be concluded that using the active ventilation control method in smaller caves is effective in reducing air humidity and decreasing the concentration of carbon dioxide， lessening the influence on the cultural relics in the caves.

Keywords： CFD； active ventilation； active air supply

引 言

世界著名遺產(chǎn)地敦煌莫高窟地處戈壁腹地，是我國第一批列入世界遺產(chǎn)名錄的文化遺產(chǎn)。敦煌莫高窟文化瑰寶的保護(hù)一直得到我國政府的高度重視。陰雨天氣和沙塵天氣導(dǎo)致洞窟微環(huán)境突變，對洞窟壁畫的保存帶來很大的負(fù)面影響[1][2]。陰雨天，外界環(huán)境空氣是高濕度，隨著洞窟內(nèi)外空氣交換，窟內(nèi)濕度升高，導(dǎo)致壁畫損壞[3][4]；在沙塵天氣，沙塵進(jìn)入洞窟，沉降于壁畫或塑像表面，不僅從視覺上影響壁畫的美觀，而且對壁畫造成潛在的危險。此外隨著旅游業(yè)的不斷發(fā)展，大量的游客參觀使洞窟微環(huán)境改變，已經(jīng)威脅到壁畫的保存。游客參觀帶來的洞窟環(huán)境改變主要集中在溫度、濕度、CO2、微生物和氣溶膠等。CO2可造成壁畫處于一個酸性環(huán)境中，對壁畫保護(hù)造成潛在的威脅[5][6]。

莫高窟洞窟保護(hù)的最終目標(biāo)是，開發(fā)一套微環(huán)境控制系統(tǒng)以更好的調(diào)節(jié)洞窟內(nèi)的微環(huán)境，包括溫度、濕度以及二氧化碳含量，從而更好地保護(hù)洞窟內(nèi)的壁畫、塑像等?；贑FD技術(shù)分析方法，對洞窟微環(huán)境引入的控制手段進(jìn)行風(fēng)險分析，確?？刂品绞胶涂刂屏坎粫ξ奈镉腥魏蔚膿p害。

洞窟微環(huán)境控制引入的干預(yù)手段主要是送入干燥空氣。該手段對洞窟環(huán)境的影響主要是加快壁畫表面的空氣流動速度，以及降低洞窟內(nèi)濕度和二氧化碳分布濃度。壁畫表面的空氣流動速度是分析的重點(diǎn)，采用CFD技術(shù)并結(jié)合現(xiàn)場試驗驗證，最終確定充入干燥空氣的方式。

1 洞窟微環(huán)境分析的物理模型

1.1 模型建立

物理模型的建立對計算量大小有影響，應(yīng)建立可滿足仿真需要且盡量簡單的模型。本次選用的是莫高窟第131窟，縱剖面及平面如圖1所示。

洞窟模型的長度為260cm、寬度為230cm、高度為300cm。甬道長為80cm、寬60cm、高度為170cm。洞窟內(nèi)擺放有幾尊泥塑像，為了簡化分析物理模型，不考慮塑像。

1.2 網(wǎng)格劃分

在CFD數(shù)值模擬中，每個控制體積都由一個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來代表。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的生成對CFD數(shù)值模擬至關(guān)重要。本次仿真洞窟頂部的梯形選擇四面體，其它部分選擇六面體網(wǎng)格，每隔2.5cm分割一次，邊界都設(shè)置為墻面，采用Gambit軟件生成的網(wǎng)格如圖2所示[7]。

甬道頂部設(shè)置了一根管道，管道中部設(shè)置了一臺風(fēng)扇。在主動送風(fēng)狀態(tài)下，進(jìn)風(fēng)口的大小等于管道的橫截面積，出風(fēng)口的大小為甬道橫截面減去管道橫截面后得到的面積。主動抽風(fēng)狀態(tài)下，出風(fēng)口的大小等于管道的橫截面積，進(jìn)風(fēng)口的大小為甬道橫截面減去管道的橫截面面積。通過改變風(fēng)扇兩側(cè)的壓力差來改變送風(fēng)和抽風(fēng)的風(fēng)速。仿真時，設(shè)置風(fēng)扇兩側(cè)的壓力差為10Pa[8]。

2 仿真分析

采用Fluent軟件進(jìn)行仿真計算，主要分析主動抽風(fēng)和主動送風(fēng)兩種工作狀態(tài)下洞窟內(nèi)的壓力以及風(fēng)速[9][10]。主動抽風(fēng)主要是開啟風(fēng)扇抽取洞窟內(nèi)的空氣，造成洞窟內(nèi)局部的負(fù)壓，外界空氣在壓力差的作用下進(jìn)入洞窟；主動送風(fēng)是主動向洞窟內(nèi)輸入一定壓力的干燥空氣，置換出洞窟內(nèi)的濕空氣。endprint

2.1 主動送風(fēng)

主動送風(fēng)狀態(tài)下z=0，洞窟剖面空氣流動分布如圖3所示。

從圖3可以看出，風(fēng)速在進(jìn)風(fēng)口比較大，洞窟墻壁最大的風(fēng)速是在正對進(jìn)風(fēng)口處，為1.77m/s。

主動送風(fēng)狀態(tài)下壓力分布如圖4所示，可以看出壓力最大的地方出現(xiàn)在正對進(jìn)風(fēng)口處，最大表壓為5.22Pa。

2.2 主動抽風(fēng)

主動抽風(fēng)狀態(tài)下z=0，洞窟剖面空氣流動分布如圖5所示，可以看出，風(fēng)速最大處位于出風(fēng)口，最大達(dá)到3.43m/s；洞窟墻壁表面的風(fēng)速比較小，一般為0.171m/s。

主動抽風(fēng)壓力分布如圖6所示，可以看出洞窟內(nèi)的壓力分布比較小，表壓最小為0.0598Pa，大部是負(fù)壓區(qū)，壓力為-0.588Pa。

對比主動送風(fēng)和主動抽風(fēng)兩種狀態(tài)下空氣流動速度，洞窟墻壁主動送風(fēng)最大達(dá)到1.77m/s，而主動抽風(fēng)達(dá)到0.171m/s。壓力在洞窟內(nèi)的分布，對于洞窟墻壁，主動送風(fēng)最大達(dá)到5.22Pa，主動抽風(fēng)達(dá)到-0.588Pa。

因此，對比主動送風(fēng)和主動抽風(fēng)兩種狀態(tài)下洞窟墻壁表面最大風(fēng)速和壓力，主動抽風(fēng)都比主動送風(fēng)小，從保護(hù)壁畫的角度出發(fā)，仿真結(jié)果表明主動抽風(fēng)比主動送風(fēng)效果要好。

3 實(shí) 驗

為了驗證主動抽風(fēng)的效果而選取莫高窟第131窟為實(shí)驗洞窟，進(jìn)行空氣交換實(shí)驗。實(shí)驗的目的洞窟門外形如圖7所示。

洞窟自動保護(hù)門的結(jié)構(gòu)如下圖所示，門的上下各有百葉，通過上下電動推桿可以自動打開和關(guān)閉；中間是抽風(fēng)風(fēng)扇，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動抽取洞窟內(nèi)的空氣，經(jīng)過門框邊緣的風(fēng)道輸出到洞窟外。

實(shí)驗的步驟是：

1）向洞窟內(nèi)充入一定濃度的CO2；

2）開啟抽風(fēng)風(fēng)扇，抽取洞窟內(nèi)的空氣，造成洞窟內(nèi)局部負(fù)壓。外界空氣在壓力差的作用下，從而進(jìn)入洞窟；

3）8個傳感器在洞窟內(nèi)的布置如圖9所示，讀取微風(fēng)傳感器的值；

4）當(dāng)CO2濃度下降到600ppm以下時，關(guān)閉抽風(fēng)風(fēng)扇，洞窟內(nèi)空氣交換結(jié)束。

8個微風(fēng)傳感器的數(shù)值如圖10所示。

從圖中可以看出石窟壁畫的風(fēng)速都小于0.5m/s，風(fēng)速很低就對壁畫的影響很小。

4 結(jié) 論

1）采用CFD技術(shù)分析主動抽風(fēng)和主動送風(fēng)兩種狀態(tài)下洞窟內(nèi)的壓力分布以及風(fēng)速，主動抽風(fēng)造成的空氣壓力和壁畫表面風(fēng)速都比主動送風(fēng)狀態(tài)下的小，對洞窟的主動干擾也就?。?/p>

2）通過空氣交換律實(shí)驗表明，主動抽風(fēng)帶來的洞窟壁畫表面的風(fēng)速很小，不會對壁畫造成破壞；

3）從理論分析和實(shí)驗可以看出，主動抽風(fēng)相比主動送風(fēng)則對洞窟影響就小，但是主動抽風(fēng)相對主動送風(fēng)效率低。因此主動抽風(fēng)方案只是適用于中小洞窟。

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