遺址博物館特殊環(huán)境溫度場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王宇昂,路昭,羅昔聯(lián),孟祥兆,孫艷軍,金立文

(1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

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遺址博物館特殊環(huán)境溫度場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王宇昂1,路昭2,羅昔聯(lián)1,孟祥兆1,孫艷軍1,金立文1

(1.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,710049,西安;2.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

為保護(hù)遺址博物館中的文物,確定適宜遺址文物長(zhǎng)久安全保存的空氣溫度參數(shù),根據(jù)遺址博物館的特殊復(fù)雜環(huán)境(“大氣-文物-土壤”多參數(shù)耦合),研制了遺址文物適宜的封閉式多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙本體及空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)。該多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙既包括上部空氣環(huán)境,也包括底部土壤環(huán)境,采用了對(duì)下部遺址文物影響最小的低風(fēng)速上進(jìn)上回送風(fēng)方式以滿足遺址文物的坑道陳列模式。在艙內(nèi)換氣次數(shù)固定的情況下,空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)通過鉸鏈機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)送風(fēng)角度以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的氣流組織。通過實(shí)驗(yàn)并借助CFD軟件FLUENT,研究了送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的影響,獲得了優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果均表明,對(duì)于所設(shè)計(jì)的多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙,小角度送風(fēng)有利于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的均勻分布,同時(shí)可降低系統(tǒng)能耗。研究結(jié)果可應(yīng)用于漢陽陵或兵馬俑這類坑式陳列,并可為送風(fēng)式艙體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布研究提供參考。

遺址博物館; 特殊環(huán)境;多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙;溫度控制系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)研究

遺址博物館環(huán)境具有室內(nèi)人員流動(dòng)不均勻、由空氣和開放土壤共同組成室內(nèi)空間等特點(diǎn),其溫濕度控制受到眾多因素的影響,不適當(dāng)?shù)沫h(huán)境參數(shù)將嚴(yán)重影響遺址文物的保存。遺址博物館(如漢陽陵地下遺址博物館、秦始皇兵馬俑博物館)是在大型古跡遺址上建立的集文物保護(hù)、考古、展覽于一體的多功能博物館,這類博物館能有效避免風(fēng)吹、日曬和雨淋等外界自然環(huán)境對(duì)遺址文物的影響,對(duì)于保護(hù)文物原貌和開展考古發(fā)掘具有重要意義,是國際遺址文物保護(hù)的重要發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。遺址博物館中遺址文物所處的區(qū)域不僅包括上部空氣環(huán)境,而且還包括底部土壤環(huán)境。由于底部土壤環(huán)境是遺址文物的原位環(huán)境,難以實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控,因此,合理調(diào)控遺址文物所處區(qū)域上部的空氣溫度是遺址文物長(zhǎng)久安全保存的關(guān)鍵手段。

遺址博物館中不適宜的保存環(huán)境會(huì)導(dǎo)致遺址文物出現(xiàn)不同程度的病害[3]。過高的環(huán)境溫度會(huì)加快文物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度,從而加速對(duì)文物的損害,并容易滋生微生物腐蝕文物。研究表明:每當(dāng)溫度升高10 ℃,化學(xué)反應(yīng)速度就會(huì)增加2～4倍[3];環(huán)境溫度的波動(dòng)還將引起文物的熱脹冷縮[4];多環(huán)境因素共同作用下文物的受損速度遠(yuǎn)大于單一因素對(duì)文物的影響[5]。因此,為實(shí)現(xiàn)遺址文物長(zhǎng)期妥善保存,迫切需要對(duì)文物病害與空氣溫度的定性、定量關(guān)系進(jìn)行研究,從而確定遺址文物適宜的環(huán)境控制參數(shù)。

目前,環(huán)境模擬技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、機(jī)電工業(yè)及農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域的科學(xué)研究中。通過環(huán)境模擬技術(shù),可以全面、快速地研究環(huán)境參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能的影響,對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)期高效運(yùn)行具有重要意義。然而,環(huán)境模擬技術(shù)在遺址文物保護(hù)方面的應(yīng)用目前還鮮有涉及。因此,本文建立了適合遺址文物的多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙本體及空氣溫度調(diào)控系統(tǒng),借助該實(shí)驗(yàn)艙可以模擬空氣環(huán)境參數(shù)對(duì)遺址文物的影響,從而確定遺址文物適宜的空氣環(huán)境參數(shù)。實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部良好的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)是研究空氣環(huán)境參數(shù)與文物病害定量、定性關(guān)系的必要保證,而氣流組織正是影響多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部空氣溫度及流場(chǎng)的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明,送風(fēng)角度和送風(fēng)方式是影響室內(nèi)氣流組織的關(guān)鍵因素[6-12]。為滿足遺址文物的坑道陳列模式,本文采用了上進(jìn)上回的送風(fēng)方式,因此送風(fēng)角度是影響、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)艙氣流組織的關(guān)鍵因素?；谝陨戏治?為確保多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙具有良好的溫度場(chǎng)及流場(chǎng),滿足遺址文物實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求,本文首先完成了實(shí)驗(yàn)艙的設(shè)計(jì)和搭建,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響,借助CFD軟件FLUENT研究了送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部流場(chǎng)的影響,最后通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果確定了實(shí)驗(yàn)艙的最佳送風(fēng)角度,并優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙本體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙是根據(jù)遺址博物館的特殊環(huán)境(“大氣-文物-土壤”多參數(shù)耦合)而建立的用于研究遺址文物適宜環(huán)境參數(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),因此實(shí)驗(yàn)艙本體結(jié)構(gòu)與常規(guī)環(huán)境調(diào)控室不同,是既包括上部空氣環(huán)境又包括底部土壤環(huán)境的有效組合體。實(shí)驗(yàn)艙本體上部空間的內(nèi)部?jī)舫叽鐬?.9 m(長(zhǎng))×2.4 m(寬)×1.2 m(高),采用內(nèi)外均為不銹鋼材料、中間填充聚氨酯發(fā)泡保溫材料的板材(厚度D1=100 mm)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的保溫隔熱性能和耐腐蝕性能,同時(shí)采用卡扣的方式將4塊板材進(jìn)行有效連接;實(shí)驗(yàn)艙頂部采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的輕質(zhì)透明有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)(玻璃厚度D2=10 mm)。實(shí)驗(yàn)艙本體下部空間為土壤環(huán)境,其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)與遺址文物坑道展出模式接近,內(nèi)部?jī)舫叽鐬?.9 m×2.4 m×1.1 m。因此,多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙的內(nèi)部?jī)舫叽鐬?.9 m×2.4 m×2.3 m。這樣的實(shí)驗(yàn)艙本體設(shè)計(jì)有利于形成與遺址博物館相同的“大氣-文物-土壤”多參數(shù)耦合環(huán)境,便于進(jìn)行遺址文物的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究及陳列展出。同時(shí),在實(shí)驗(yàn)艙本體上部空間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上安裝了2組可移動(dòng)的輔助支架(如圖1中虛線所示),用于連接溫度傳感器。多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙本體結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)物圖分別如圖1、圖2所示。

(a)主視圖

(b)俯視圖圖1 多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙本體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)示意圖

1.2 多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)艙的空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)如圖3所示,主要由室外冷熱水機(jī)組、水箱、水泵、水-空氣熱交換器、送風(fēng)機(jī)、加濕器、電加熱器以及空氣整流裝置、送風(fēng)角度調(diào)節(jié)裝置等部件組成。其中:室外機(jī)組根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求產(chǎn)生冷/熱水;水箱采用新型圓柱形保溫水箱,容積為150 L,采用保溫水箱是為了避免室外機(jī)的頻繁啟停,有利于延長(zhǎng)室外機(jī)的使用壽命;水泵為整個(gè)水系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力,型號(hào)為威樂RS25/6,最大流量為58、37和15 t/h(3檔變速);水-空氣熱交換器置于風(fēng)管中,通過室外機(jī)組產(chǎn)生的冷/熱水與經(jīng)過其表面的空氣進(jìn)行熱交換,從而冷卻/加熱風(fēng)管內(nèi)的空氣;送風(fēng)機(jī)(26NF3C-3200-BX型靜音送風(fēng)機(jī),最大風(fēng)量為3 200 m3/h)置于風(fēng)管中,為整個(gè)風(fēng)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力,并且可通過VFD015EL43A型變頻器實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速;空氣整流裝置置于近送風(fēng)口處,用于降低氣流湍流強(qiáng)度及均勻分配送風(fēng)氣體,采用蜂窩狀多孔板;加濕器置于風(fēng)管中,采用超聲波十頭霧化器調(diào)控風(fēng)管內(nèi)的空氣濕度;電加熱器置于水-空氣熱交換器之后,用于調(diào)控風(fēng)管內(nèi)的空氣濕度,其控制流程如圖4所示;送風(fēng)角度調(diào)節(jié)裝置安裝于實(shí)驗(yàn)艙風(fēng)管的送風(fēng)口處,可通過調(diào)整送風(fēng)角度改善實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的氣流組織,采用鉸鏈機(jī)構(gòu)及帆布軟連接的方式實(shí)現(xiàn)送風(fēng)角度的調(diào)節(jié)功能。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

本文所設(shè)計(jì)的多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙尺寸為2.9 m(x)×2.4 m(y)×2.3 m(z),其中上部空氣環(huán)境為2.9 m(x)×2.4 m(y)×1.2 m(z),下部土壤環(huán)境為2.9 m(x)×2.4 m(y)×1.1 m(z)。實(shí)驗(yàn)艙的物理模型如圖5所示。

圖4 電加熱器控制流程

圖5 多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙三維物理模型示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 控制方程 采用三維雷諾平均N-S方程結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型。模型的通用控制方程可以寫成如下形式[13]

(1)

式中:φ為通用變量,分別表示動(dòng)量方程中的速度u、v、w,能量方程中的溫度T,湍流動(dòng)能方程中的湍動(dòng)能k和耗散率ε;?(ρφ)/?t為非穩(wěn)態(tài)項(xiàng);div(ρUφ)為對(duì)流項(xiàng);div(Γφgradφφ)為擴(kuò)散項(xiàng);Sφ為源項(xiàng)。

采用Gambit軟件建立實(shí)驗(yàn)艙的物理模型,然后用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(四邊形和六面體網(wǎng)格)對(duì)空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在壁面、送回風(fēng)口附近采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密。經(jīng)過網(wǎng)格數(shù)獨(dú)立性測(cè)試判斷,數(shù)值計(jì)算時(shí)選取的網(wǎng)格數(shù)為597 520(97×80×77)。在數(shù)值計(jì)算時(shí),采用一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散化,并選用SIMPLE算法對(duì)離散方程進(jìn)行求解。

2.2.2 基本假設(shè) 為了簡(jiǎn)化問題,做如下假設(shè):①由于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部氣流低速流動(dòng),壓力較低,因此假設(shè)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部空氣為理想不可壓縮流體;②實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部氣流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、湍流;③實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部氣流為自然對(duì)流、強(qiáng)迫對(duì)流都存在的混合對(duì)流流動(dòng);④采用Boussinesq假設(shè),忽略黏性耗散,假設(shè)除密度以外的其他物性參數(shù)為常數(shù),密度變化只考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng);⑤不考慮實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)表面的輻射換熱量,固體壁面上滿足無滑移條件。

2.2.3 邊界條件 入口邊界:采用速度入口邊界條件,并假設(shè)同一送風(fēng)口所有位置的送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度均相同,垂直送風(fēng)。送風(fēng)速度和送風(fēng)溫度均取實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。

出口邊界:采用自由流出邊界條件,即所有的空氣都從出口流出。

壁面邊界:實(shí)驗(yàn)艙上部空間圍護(hù)結(jié)構(gòu)和頂部有機(jī)玻璃蓋板采用恒定熱流密度邊界條件,底部土壤環(huán)境各壁面采用恒定溫度邊界條件。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)主要研究不同工況下送風(fēng)角度(30°送風(fēng)、60°送風(fēng)和水平送風(fēng))對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響,從而獲得適用于不同運(yùn)行工況的最佳送風(fēng)角度。采用T型熱電偶測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙外部的空氣溫度及水-空氣熱交換器的供/回水溫度;采用TR-72wf型溫濕度記錄儀測(cè)量實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的空氣溫度,采集時(shí)間均為10 min,記錄儀的具體布置如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫濕度記錄儀布置示意圖

3.1 制冷工況

運(yùn)行工況:實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部空氣的目標(biāo)溫度ta,set=20 ℃,室外機(jī)的目標(biāo)溫度tw,set=13 ℃,調(diào)整變頻器至20 Hz,風(fēng)速v=2.0 m/s。

圖7～圖9分別描繪了送風(fēng)角度為30°、60°和水平送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

(a)水平測(cè)點(diǎn)

(b)垂直測(cè)點(diǎn)圖7 30°送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(制冷工況)

由圖7可以看出:在30°送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部不同測(cè)點(diǎn)處的溫度差異性較小(Δtsf≤±0.5 ℃),即溫度場(chǎng)均勻性較好,同時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的溫度隨時(shí)間的變化范圍均不超過±1 ℃,即溫度控制精度高。

由圖8可以看出:在60°送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性良好,當(dāng)艙外溫度在22.0到28.5 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)間歇運(yùn)行即可滿足實(shí)驗(yàn)艙的目標(biāo)溫度要求,且溫度隨時(shí)間的變化范圍不超過±1 ℃。

(a)水平測(cè)點(diǎn)

(b)垂直測(cè)點(diǎn)圖8 60°送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(制冷工況)

(a)水平測(cè)點(diǎn)

由圖9可以看出:在水平送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性較好,當(dāng)艙外溫度在26.0到32.0 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)需要連續(xù)運(yùn)行才能確保實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部空氣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度值20 ℃;當(dāng)艙外溫度在22.0到26.0 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)間歇運(yùn)行即可滿足實(shí)驗(yàn)艙的目標(biāo)溫度要求。

(b)垂直測(cè)點(diǎn)圖9 水平送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(制冷工況)

綜上所述,對(duì)于制冷工況而言,不同送風(fēng)角度時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度差異性均較小(Δtsf≤±0.5 ℃),但是不同的送風(fēng)角度對(duì)風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的運(yùn)行方式具有一定的影響。相比較而言,水平送風(fēng)時(shí)由于水和風(fēng)系統(tǒng)有時(shí)需要連續(xù)運(yùn)行,因此較其他2種送風(fēng)方式耗能更多。

3.2 采暖工況

運(yùn)行工況:實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部空氣的目標(biāo)溫度ta,set=25 ℃,室外機(jī)的目標(biāo)溫度tw,set=32 ℃,運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng),同時(shí)調(diào)整變頻器至20 Hz,風(fēng)速v=2.0 m/s。

圖10～圖12分別是采暖工況送風(fēng)角度為30°、60°和水平時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

(a)水平測(cè)點(diǎn)

(b)垂直測(cè)點(diǎn)圖10 30°送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(采暖工況)

由圖10可以看出:在30 ℃送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部不同測(cè)點(diǎn)處的溫度差異性較小(Δtsf≤±0.5 ℃),即溫度場(chǎng)均勻性較好;當(dāng)艙外溫度在18.0到24.0 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)間歇運(yùn)行即可滿足實(shí)驗(yàn)艙的目標(biāo)溫度要求,且溫度隨時(shí)間的變化范圍不超過±1 ℃。

由圖11可以看出:在60 ℃送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部不同測(cè)點(diǎn)處的溫度具有一定的差異性(Δtsf≤±1 ℃),即溫度場(chǎng)的均勻性不佳;當(dāng)艙外溫度在18.0到25.0 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)需要連續(xù)運(yùn)行才能滿足實(shí)驗(yàn)艙的目標(biāo)溫度要求,且溫度隨時(shí)間的變化范圍不超過±1 ℃。

(a)水平測(cè)點(diǎn)

(b)垂直測(cè)點(diǎn)圖11 60°送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(采暖工況)

由圖12可以看出:在水平送風(fēng)時(shí),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部垂直方向各測(cè)點(diǎn)的溫度差異性較大,即溫度場(chǎng)均勻性較差;當(dāng)艙外溫度在19.0到22.0 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),水系統(tǒng)和風(fēng)系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行才能滿足實(shí)驗(yàn)艙的目標(biāo)溫度要求。

(a)水平測(cè)點(diǎn)

(b)垂直測(cè)點(diǎn)圖12 水平送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(采暖工況)

綜上所述:對(duì)于采暖工況而言,送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性影響較大,其中僅送風(fēng)角度為30°時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的溫度場(chǎng)均勻性才滿足實(shí)驗(yàn)要求(Δtsf≤±0.5 ℃);不同的送風(fēng)角度對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式有一定的影響,相比其他2種送風(fēng)角度,送風(fēng)角度為30°時(shí)系統(tǒng)間歇運(yùn)行即可滿足實(shí)驗(yàn)艙的目標(biāo)溫度要求,所以此時(shí)系統(tǒng)耗能最少。

基于以上分析可知,對(duì)于任何實(shí)驗(yàn)工況而言,送風(fēng)角度為30°時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性均滿足實(shí)驗(yàn)要求(Δtsf≤±0.5 ℃),同時(shí)系統(tǒng)能耗較小,因此,多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙的最佳送風(fēng)角度為30°。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用CFD軟件FLUENT研究30°和水平送風(fēng)對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部流場(chǎng)的影響,進(jìn)而揭示送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻性的影響。計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)艙在不同送風(fēng)角度下的邊界條件

v:送風(fēng)速度;t:送風(fēng)溫度;ts:土壤溫度;q1:頂部換熱量;q2:圍護(hù)換熱量。

為研究不同送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部流場(chǎng)的影響,選取實(shí)驗(yàn)艙中心剖面(x=1.45 m)進(jìn)行分析。

4.1 制冷工況不同送風(fēng)角度下實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的流場(chǎng)分布

圖13a為制冷工況30°送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風(fēng)口進(jìn)入,由于送風(fēng)角度的影響,氣流迅速向下流動(dòng)到達(dá)實(shí)驗(yàn)艙底部,然后在實(shí)驗(yàn)艙底部形成明顯的“空氣湖”,隨后一部分氣流流向回風(fēng)口,一部分氣流在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部循環(huán)流動(dòng),實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部氣流整體分布均勻。

圖13b為制冷工況水平送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風(fēng)口進(jìn)入,在實(shí)驗(yàn)艙頂部形成明顯的貼附射流,貼附射流中心的速度沿程逐漸減小,然后一部分氣流下沉在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部循環(huán)流動(dòng),一部分氣流直接從回風(fēng)口流出,實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部氣流整體分布均勻。

(a)30°送風(fēng)

(b)水平送風(fēng)圖13 制冷工況不同送風(fēng)角度下實(shí)驗(yàn)艙中心剖面的速度矢量圖

綜上所述:在制冷工況下,送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的流場(chǎng)分布影響較小;艙內(nèi)流場(chǎng)分布均勻,與艙內(nèi)的溫度場(chǎng)分布一致。

4.2 采暖工況不同送風(fēng)角度下實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的流場(chǎng)分布

圖14a為采暖工況30°送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風(fēng)口進(jìn)入,迅速向下流動(dòng)到達(dá)實(shí)驗(yàn)艙底部,然后在實(shí)驗(yàn)艙底部形成明顯的“空氣湖”,隨后一部分氣流流向回風(fēng)口,一部分氣流在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部循環(huán)流動(dòng),艙內(nèi)氣流整體分布均勻。

圖14b為采暖工況水平送風(fēng)時(shí)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的速度矢量圖。由圖可知,氣流從頂部送風(fēng)口進(jìn)入,在實(shí)驗(yàn)艙頂部形成明顯的貼附射流,貼附射流中心的速度沿程逐漸減小,然而由于熱浮力的影響,熱空氣難以下沉,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)艙底部出現(xiàn)明顯的靜風(fēng)區(qū)域,即實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部氣流整體分布不均勻。

(a)30°送風(fēng)

(b)水平送風(fēng)圖14 采暖工況不同送風(fēng)角度下實(shí)驗(yàn)艙中心剖面的速度矢量圖

綜上所述:在采暖工況下,送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的流場(chǎng)分布影響較大;小角度送風(fēng)有利于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部流場(chǎng)均勻分布。該模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布一致。

5 結(jié) 論

為了保護(hù)遺址文物,確定遺址文物適宜的空氣環(huán)境參數(shù),本文結(jié)合遺址博物館中遺址文物所處區(qū)域的特殊環(huán)境,成功地研制了適合遺址文物的封閉式多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙本體及空氣溫度調(diào)控系統(tǒng)。該多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙既包括上部的空氣環(huán)境,又包括底部的土壤環(huán)境;采用對(duì)下部遺址文物影響最小的低風(fēng)速上進(jìn)上回的送風(fēng)方式,以滿足遺址文物的坑道陳列模式。在艙內(nèi)的換氣次數(shù)固定的情況下,通過調(diào)整送風(fēng)角度研究了實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的分布情況,最終得到了優(yōu)化方案;通過實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法,研究了送風(fēng)角度對(duì)實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果均表明,對(duì)于本文所設(shè)計(jì)的多場(chǎng)耦合實(shí)驗(yàn)艙而言,小角度送風(fēng)有利于實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)部溫度場(chǎng)及流場(chǎng)的均勻分布,同時(shí)可以降低系統(tǒng)能耗。本文的研究結(jié)果可應(yīng)用于漢陽陵或兵馬俑這類坑式陳列,將有益于遺址文物的長(zhǎng)久安全保存,并且可以為送風(fēng)式艙體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布研究提供參考。

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(編輯 葛趙青)

Design and Optimization of Temperature Control System for Special Environment in Site Museums

WANG Yuang1,LU Zhao2,LUO Xilian1,MENG Xiangzhao1,SUN Yanjun1,JIN Liwen1

(1. School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;2. School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

To protect the unearthed relics and investigate the temperature related parameters for appropriate preservation environments, a multi-field-coupled test chamber and a temperature control system were developed according to the complex environment in actual site museums in terms of the parameters of air, unearthed relics and soil. The multi-field-coupled system reproduced both the upper air condition and the lower soil environment within the designed chamber. It uses the upper air supply and exhaust flow configuration with minimum impact on the unearthed relics to realize a gallery display layout for the unearthed relics. When the air change number is a given constant in this chamber, the temperature field and flow field distributions can be optimized by changing the angle of air flow supplied to the test chamber via an articulated mechanism. The influences of air feeding angle on the internal temperature and flow fields were investigated by experiment using CFD software FLUENT, and the optimized protection scheme was achieved correspondingly. The experimental and numerical results show that for the multi-field-coupled test chamber developed in this research, uniform internal temperature and flow fields can be obtained under relatively small air feeding angle, while the energy loss can be reduced simultaneously. The designed multi-field-coupled control system may provide a reference to the investigation of air supplied temperature field in similar relics protection sites for such as Han Yang Ling Mausoleum and Terra-Cotta Warriors.

site museum; special environment; multi-field-coupled test chamber; temperature control system; experimental investigation

2015-12-10。 作者簡(jiǎn)介:王宇昂(1992—),女,碩士生;孟祥兆(通信作者),男,高級(jí)工程師。 基金項(xiàng)目:國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BKA14B01)。

時(shí)間:2016-04-28

10.7652/xjtuxb201607020

TU83

A

0253-987X(2016)07-0131-09

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160428.2222.008.html