自然對流—多向加熱沙療系統(tǒng)的傳熱特性研究

阿依先古力·熱合曼 居來提·買提肉孜 佐熱姆·拜科日 李乾坤 于洋

摘 要：對沙療室傳熱系統(tǒng)的傳熱效果和沙體層的溫度分布情況，按照現(xiàn)有的最佳加熱系統(tǒng)自然對流-多向加熱采用標準k-？著湍流模型建立大型和小型兩種規(guī)格尺寸的三維物理模型，并按照基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果，不同邊界條件基礎(chǔ)下對系統(tǒng)的溫度場、速度場進行數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)對比。經(jīng)過研究得出了自然對流-多向加熱對大型沙療室加熱系統(tǒng)的傳熱效率無明顯的高，沙體層垂直溫度分布較均勻，以及強迫對流對多向加熱的系統(tǒng)溫度變化沒有明顯影響。以此大型沙療室無法達到溫度分布更為均勻等原因，將沙療室的布置改成為由沙療床組成的治療場所，通過對比分析得知了沙療床對沙療的過程和傳熱效率帶有所提高。

關(guān)鍵詞：k-？著模型；傳熱效率；數(shù)值模擬；沙療床

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）21-0001-05

Abstract： In view of the heat transfer effect of the heat transfer system of the sand therapy room and the temperature distribution of the sand layer， based on the existing optimal heating system natural convection-multidirectional heating， the standard k-？著 turbulence model is used to establish three-dimensional physical models of large and small sizes. According to the basic experimental data and simulation results， the temperature field and velocity field of the system are simulated and compared under different boundary conditions. Through the study， it is concluded that the natural convection-multidirectional heating has no obvious effect on the heat transfer efficiency of the large sand therapy chamber heating system， the vertical temperature distribution of the sand layer is uniform， and the forced convection has no obvious effect on the temperature change of the multidirectional heating system. Due to the reason that the large sand therapy room cannot achieve more uniform temperature distribution and other reasons， the layout of the sand therapy room is changed into a treatment place composed of sand therapy bed. Through comparative analysis， it is found that the sand therapy bed has improved the process and heat transfer efficiency of sand therapy.

Keywords： k-？著 model； heat transfer efficiency； numerical simulation； sand therapy bed

引言

沙療目前是國際健身治病潮流而且有顯著療效的新療法。埋沙治療中[1]，將患者的膝蓋部位或者全體埋入在沙體中，因此患病處受到沙粒中各類微量元素、礦物質(zhì)和沙粒之間的相互移動刺激患處，由此產(chǎn)生的熱量傳送給皮膚、肌肉、股骨等組織，推動患處的血液循環(huán)[2]，在世界傳統(tǒng)民族醫(yī)學中沙療的這種通過傳熱來治病的特性具有重要地位。具體來說是吐魯番維醫(yī)中通過埋沙來治關(guān)節(jié)病歷時長久。吐魯番具備著世界上最好的沙療資源和沙療場所，吐魯番無論是在氣候溫度的優(yōu)勢方面或者是含有豐富的磁鐵礦物質(zhì)和微量元素的田沙方面，有其他地方所不能具備的特殊優(yōu)勢[3]，是我國著名而唯一的沙療圣地。

盡管我國吐魯番是著名的沙療圣地[4]，沙療因受到氣候、環(huán)境、時間等自然因素的影響，一直沒能實現(xiàn)隨時能夠進行治療的需求。到目前為止有關(guān)研究人員對優(yōu)化加熱系統(tǒng)并且提高系統(tǒng)傳熱效果做相關(guān)性研究分析，通過數(shù)值模擬和實驗研究得出了能讓加熱系統(tǒng)傳熱效率提升的自然對流-多向加熱方式?，F(xiàn)如今為世界傳統(tǒng)民族醫(yī)學中的精髓之一埋沙治療又有了功能最為優(yōu)異的新治療結(jié)構(gòu)沙療床。沙療床在加熱效率、能耗、加熱速度和經(jīng)濟等方面更有優(yōu)勢。因此沙療床在未來會是埋沙治療中的應用范圍最廣泛，效率最優(yōu)異的一種沙療結(jié)構(gòu)。

1 實驗與數(shù)據(jù)分析

1.1 實驗

目前對埋沙治療有關(guān)研究人員建立小型沙療平臺進行研究得出了最佳的加熱系統(tǒng)-自然對流-多向加熱方式。按照現(xiàn)有的埋沙治療加熱系統(tǒng)和有關(guān)研究結(jié)果，在吐魯番大型室內(nèi)沙療室經(jīng)過對5cm～30cm深度的沙層進行做實際實驗和模擬實驗采集了溫度數(shù)據(jù)，從實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)加熱時間同樣的控制在7小時到9小時之內(nèi)實際實驗數(shù)據(jù)和模擬實驗數(shù)據(jù)基本吻合，一直均勻增長，溫度差較小，從而得知大型室內(nèi)沙療室的加熱溫度情況基本達到了人體最需要的最合適的溫度42.5℃[5]。以下為在大型沙療室數(shù)據(jù)采集當中的數(shù)據(jù)采集示意圖（如圖1）和實驗數(shù)據(jù)（如表1）和（如表2）。

1.2 數(shù)據(jù)分析

通過在實際沙療室做模擬和實際實驗測出了以上數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)可以看出同一個時間段沙子深度同樣厚度時模擬和實際實驗數(shù)據(jù)之間的差別不大，隨著加熱時間的增高深度不同的沙體層溫度也逐漸的增高，雖然模擬實驗所得出的數(shù)據(jù)稍微高一些，但基本接近實際實驗的數(shù)據(jù)，因此我們初步能斷定自然對流-多向加熱系統(tǒng)大型沙療室基本達到最佳的加熱效果，各項數(shù)據(jù)基本合理[2]。為更明確的分析實驗數(shù)據(jù)的變化情況，下面建立了兩項實驗數(shù)據(jù)的XL曲線圖（如圖2）。

從曲線圖可以明確的看到，系統(tǒng)加熱到7小時至9小時之間的溫度變化情況模擬實驗和實際實驗漸漸上升的狀態(tài)，沙體垂直溫度層的一直均勻上升狀態(tài)可以滿足埋沙治療所需要，對人體無損害沙體溫度。

2 數(shù)值計算

2.1 大型沙療室的數(shù)值計算

2.1.1 建立物理模型與生成網(wǎng)格

按照現(xiàn)有的小型沙療平臺的加熱系統(tǒng)，建立幾何尺寸為5m*8m*2.7m的大型沙療室物理模型，并對它進行劃分網(wǎng)格、定義邊界條件用FLUENT軟件分析出沙療室加熱系統(tǒng)的溫度場和速度場變化。為確保和提高數(shù)值計算結(jié)果的精確度，對物理模型要定義合理的邊界條件。數(shù)值計算當中采用能量方程、DO模型以及標準k-？著湍流模型[6-7]。大型沙療室的物理模型（如圖3）。對于劃分網(wǎng)格傳熱系統(tǒng)物理模型在現(xiàn)有實驗平臺的基礎(chǔ)之下，為了避免矩陣式[8]計算所帶來的麻煩、在網(wǎng)格劃分技術(shù)方面采用了沒有矩陣式計算的方式-結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化相互結(jié)合方式。因此對沙體層相應的是六面體形狀為主的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式；對于空氣層也同樣是六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式，而輻射加熱燈周圍的近距離應用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式，并且消除“臺階效應”[9]對物理模型制造的網(wǎng)格劃分精度方面的影響，這樣網(wǎng)格劃分的效果會更加的接近貼體坐標法（BFC）[10]的標準。網(wǎng)格劃分（如圖4）。

2.1.2 定義邊界條件

網(wǎng)格劃分的下一步是對物理模型進行制定邊界條件，將室內(nèi)沙療室沙體層、沙體層側(cè)邊以及頂部熱源一律可定義為wall，對于計算區(qū)域的屬性設(shè)置定義的時候，系統(tǒng)內(nèi)地面的沙體層可定義為Solid，屋頂邊上的空氣層可定義為Fluid。然后將物理模型導入FLUENT軟件，為了保證數(shù)值計算的順利完成，對網(wǎng)格劃分進行檢查。為了提高數(shù)值計算的準確度要注意這幾個部分：（1）實驗平臺中沙子底層

隔熱膜有防火作用，所以數(shù)值計算中各面設(shè)置成絕熱體；（2）加熱后氣體溫度差導致的密度差會受重力的影響，因

此浮升力不能忽略；（3）將風扇簡化成面再計算能實現(xiàn)極

高精確度的結(jié)果；（4）系統(tǒng)內(nèi)空氣服從牛頓流體條件，因此各面上空氣也全服從不滑動的條件；（5）加熱系統(tǒng)是全密

封狀態(tài)，可不用考慮實驗平臺里小縫隙導致的對流問題；以下為提高數(shù)值計算精確度對系統(tǒng)設(shè)定的邊界條件流程圖（如圖5）。

輻射選項選用為DO模型，并且將各參數(shù)設(shè)置為默認值。在沙療中研究的是因為沙體層溫度場跟隨加熱時間所發(fā)生的變化，之所以以非定常計算為主要計算方法。設(shè)置邊界條件時，室內(nèi)沙療室周圍四面墻和底層與外面環(huán)境不會互換熱量，可一律定義為絕熱面，屋頂16支加熱燈為輻射性熱源。本文當中所有的數(shù)值計算方式一律選用SIMPLE壓力計算法[11]。

2.1.3 溫度場和速度場分析

按照有關(guān)研究人員通過重復實驗研究出的加熱效率最佳的自然對流-多向加熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀，對幾何尺寸為5m*8m*2.7m的大型沙療室物理模型達到實際沙療場所需的溫度為止進行數(shù)值模擬。因為在實際沙療場所通過實際實驗所得的數(shù)據(jù)當中達到理想溫度所需的時間為7小時到9小時。因此，數(shù)值計算當中同樣的把時間控制在7小時到9小時之內(nèi)，并且對系統(tǒng)溫度場變化云圖進行分析。加熱系統(tǒng)溫度場云圖（如圖6）。

根據(jù)數(shù)值計算計算結(jié)果對空氣層并且沙體層的溫度場變化進行分析，從溫度場云圖分布情況可看到：系統(tǒng)內(nèi)因為有輻射加熱燈、加熱板、沙表層的電暖線，空氣層的溫度分布情況比較集中在中間。同樣的將加熱時間設(shè)定在7小時到9小時之間，數(shù)值計算到7小時計算結(jié)果無變化，顯示出了較好的加熱效果。但沙體層垂直溫度梯度情況比較明顯，系統(tǒng)溫度分布狀態(tài)是偏高偏低。從此可以斷定大型沙療室溫度場情況跟實際實驗對比有一定的出入和欠缺。

同樣的理論基礎(chǔ)之下，對大型沙療室物理模型把時間控制在9小時之內(nèi)的條件下進行數(shù)值計算并且對系統(tǒng)速度場變化進行分析。以下為加熱系統(tǒng)速度場云圖（如圖7）：

根據(jù)數(shù)值計算計算結(jié)果對空氣層并且沙體層的速度場變化進行分析，從速度場云圖分布情況可看到：因為輻射加熱燈和沙體表面層溫度稍微高一些，以此在空氣中存在明顯的浮升力?？諝庵械臒釟饬魃仙问捷^為不規(guī)則，再因為遇到周圍墻的阻止，在上升當中且會出現(xiàn)較為大一些的渦流形狀。多向加熱時在系統(tǒng)內(nèi)溫度分布情況雖然比較均勻、但也存在一些溫度梯度狀況，因此輻射加熱燈近距離流體跟隨遇熱溫上升，出現(xiàn)的渦流形狀比較明顯，以此確定7小時的加熱時間對系統(tǒng)內(nèi)空氣流動速度的影響稍微大一些。

2.2 沙療床的數(shù)值計算與特性

2.2.1 沙療床的數(shù)值計算

關(guān)于沙療到今日為止有了各種先進、無欠缺并且實惠方便的新科技。首先是以前的室外沙療變成了人工加熱的室內(nèi)沙療室；其次加熱系統(tǒng)存在欠缺的室內(nèi)沙療室優(yōu)化成了具有最佳加熱系統(tǒng)的室內(nèi)沙療室；然后在此正要研究的是-加熱方式為底部加熱和四周加熱方式的、具有完美加熱系統(tǒng)的、設(shè)備很先進、體積適當?shù)男?、無欠缺、實惠又便攜式的沙療床。它還有稱之為“簡單的健康大使”。

因此對沙療床做進一步的數(shù)值計算分析。以下為用UG7.0軟件中建立的幾何尺寸為2.2m*1.2m*0.6m的沙療床物理模型（如圖8）和與沙療室同樣邊界條件下用Gambit軟件進行劃分網(wǎng)格結(jié)果圖（如圖9）。

同樣的理論基礎(chǔ)之下，對沙療床進行數(shù)值模擬分析。以下圖為沙療床的數(shù)值模擬分析結(jié)果，溫度場云圖（如圖10）和速度場云圖（如圖11）所示。

從溫度場云圖分布情況可得知：空氣層的溫度分布情況非常的均勻，沙體層垂直方向無任何溫度梯度情況，這說明沙子的加熱速度平穩(wěn)，傳熱效率高。從速度場云圖分布情況可得知：氣流上升形式很規(guī)則，無出現(xiàn)明顯的渦流形狀，加熱過程中空氣流速很均勻，模擬計算結(jié)果很理想。

2.2.2 沙療床的特性

相比于沙療室，沙療床在各方面更有優(yōu)勢，比如：（1）外觀優(yōu)美精致，總體積小、通常標準的尺寸規(guī)格為2.2m*1.2m*0.6m、方便移動；（2）衛(wèi)生，不會污染環(huán)境；（3）床體材料純屬木質(zhì)，對人體和系統(tǒng)沒有負面影響；（4）壽命長；（5）加熱速度快；

（6）電壓220V、能耗1800W、功率適當、節(jié)省電和時間；（7）床內(nèi)沙子的更換周期長，短時間內(nèi)不會容易發(fā)生質(zhì)變；（8）加熱-控制系統(tǒng)很完整，具備智能溫度調(diào)節(jié)-控制器、排氣孔、感溫探頭、床體內(nèi)外固定結(jié)構(gòu)；（9）溫度調(diào)節(jié)方便，使用容易；（10）加熱系統(tǒng)用的材料是遠紅外頻譜加熱板相當?shù)陌踩?，用電、價格、加熱原理等方面更有優(yōu)勢、能耗低、傳熱均勻。

3 結(jié)束語

現(xiàn)如今這樣人類越來越注重自身健康問題的時候，沙療床尚未普遍的使用，在價格方面不是任何一個人能接受得了的價格。如果價格方面更有優(yōu)勢，用電情況更為節(jié)約型，治療效果最為好的治療結(jié)構(gòu)將來會是另一種需求。

綜上所述，根據(jù)對于沙療室的實際實驗對比結(jié)果、沙療室與沙療床的數(shù)值計算結(jié)果，可得知沙療床傳熱效率高、能耗損失低、加熱系統(tǒng)安全，相比于沙療室沙療床是傳熱效率最佳，目前為最好的、最先進的一個埋沙治療結(jié)構(gòu)。本文的研究內(nèi)容在沙療床未來的應用當中定會有重要意義。

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