敦煌莫高窟微环境控制方式的CFD仿真与实验

张春庭++苏伯民++张正模

内容摘要：为了确保对洞窟的控制方式和控制量不会对壁画和塑像有任何程度的损害，采用计算流体力学CFD技术对洞窟微环境引入的控制手段进行分析，结果表明主动抽风产生的气压以及壁画表面的风速都比主动送风方式要小。在对第131窟所做的空气交换率实验证实了CFD的分析结果。因此主动抽风控制方式在中小洞窟对于减小空气湿度以及降低二氧化碳浓度都具有良好的作用，同时对洞窟内的文物影响很小。

关键词：计算流体力学；主动抽风；主动送风

中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：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

世界著名遗产地敦煌莫高窟地处戈壁腹地，是我国第一批列入世界遗产名录的文化遗产。敦煌莫高窟文化瑰宝的保护一直得到我国政府的高度重视。阴雨天气和沙尘天气导致洞窟微环境突变，对洞窟壁画的保存带来很大的负面影响[1][2]。阴雨天，外界环境空氣是高湿度，随着洞窟内外空气交换，窟内湿度升高，导致壁画损坏[3][4]；在沙尘天气，沙尘进入洞窟，沉降于壁画或塑像表面，不仅从视觉上影响壁画的美观，而且对壁画造成潜在的危险。此外随着旅游业的不断发展，大量的游客参观使洞窟微环境改变，已经威胁到壁画的保存。游客参观带来的洞窟环境改变主要集中在温度、湿度、CO2、微生物和气溶胶等。CO2可造成壁画处于一个酸性环境中，对壁画保护造成潜在的威胁[5][6]。

莫高窟洞窟保护的最终目标是，开发一套微环境控制系统以更好的调节洞窟内的微环境，包括温度、湿度以及二氧化碳含量，从而更好地保护洞窟内的壁画、塑像等。基于CFD技术分析方法，对洞窟微环境引入的控制手段进行风险分析，确保控制方式和控制量不会对文物有任何的损害。

洞窟微环境控制引入的干预手段主要是送入干燥空气。该手段对洞窟环境的影响主要是加快壁画表面的空气流动速度，以及降低洞窟内湿度和二氧化碳分布浓度。壁画表面的空气流动速度是分析的重点，采用CFD技术并结合现场试验验证，最终确定充入干燥空气的方式。

1 洞窟微环境分析的物理模型

1.1 模型建立

物理模型的建立对计算量大小有影响，应建立可满足仿真需要且尽量简单的模型。本次选用的是莫高窟第131窟，纵剖面及平面如图1所示。

洞窟模型的长度为260cm、宽度为230cm、高度为300cm。甬道长为80cm、宽60cm、高度为170cm。洞窟内摆放有几尊泥塑像，为了简化分析物理模型，不考虑塑像。

1.2 网格划分

在CFD数值模拟中，每个控制体积都由一个网格节点来代表。网格节点的生成对CFD数值模拟至关重要。本次仿真洞窟顶部的梯形选择四面体，其它部分选择六面体网格，每隔2.5cm分割一次，边界都设置为墙面，采用Gambit软件生成的网格如图2所示[7]。

甬道顶部设置了一根管道，管道中部设置了一台风扇。在主动送风状态下，进风口的大小等于管道的横截面积，出风口的大小为甬道横截面减去管道横截面后得到的面积。主动抽风状态下，出风口的大小等于管道的横截面积，进风口的大小为甬道横截面减去管道的横截面面积。通过改变风扇两侧的压力差来改变送风和抽风的风速。仿真时，设置风扇两侧的压力差为10Pa[8]。

2 仿真分析

采用Fluent软件进行仿真计算，主要分析主动抽风和主动送风两种工作状态下洞窟内的压力以及风速[9][10]。主动抽风主要是开启风扇抽取洞窟内的空气，造成洞窟内局部的负压，外界空气在压力差的作用下进入洞窟；主动送风是主动向洞窟内输入一定压力的干燥空气，置换出洞窟内的湿空气。endprint

2.1 主动送风

主动送风状态下z=0，洞窟剖面空气流动分布如图3所示。

从图3可以看出，风速在进风口比较大，洞窟墙壁最大的风速是在正对进风口处，为1.77m/s。

主动送风状态下压力分布如图4所示，可以看出压力最大的地方出现在正对进风口处，最大表压为5.22Pa。

2.2 主动抽风

主动抽风状态下z=0，洞窟剖面空气流动分布如图5所示，可以看出，风速最大处位于出风口，最大达到3.43m/s；洞窟墙壁表面的风速比较小，一般为0.171m/s。

主动抽风压力分布如图6所示，可以看出洞窟内的压力分布比较小，表压最小为0.0598Pa，大部是负压区，压力为-0.588Pa。

对比主动送风和主动抽风两种状态下空气流动速度，洞窟墙壁主动送风最大达到1.77m/s，而主动抽风达到0.171m/s。压力在洞窟内的分布，对于洞窟墙壁，主动送风最大达到5.22Pa，主动抽风达到-0.588Pa。

因此，对比主动送风和主动抽风两种状态下洞窟墙壁表面最大风速和压力，主动抽风都比主动送风小，从保护壁画的角度出发，仿真结果表明主动抽风比主动送风效果要好。

3 实 验

为了验证主动抽风的效果而选取莫高窟第131窟为实验洞窟，进行空气交换实验。实验的目的洞窟门外形如图7所示。

洞窟自动保护门的结构如下图所示，门的上下各有百叶，通过上下电动推杆可以自动打开和关闭；中间是抽风风扇，风扇转动抽取洞窟内的空气，经过门框邊缘的风道输出到洞窟外。

实验的步骤是：

1）向洞窟内充入一定浓度的CO2；

2）开启抽风风扇，抽取洞窟内的空气，造成洞窟内局部负压。外界空气在压力差的作用下，从而进入洞窟；

3）8个传感器在洞窟内的布置如图9所示，读取微风传感器的值；

4）当CO2浓度下降到600ppm以下时，关闭抽风风扇，洞窟内空气交换结束。

8个微风传感器的数值如图10所示。

从图中可以看出石窟壁画的风速都小于0.5m/s，风速很低就对壁画的影响很小。

4 结 论

1）采用CFD技术分析主动抽风和主动送风两种状态下洞窟内的压力分布以及风速，主动抽风造成的空气压力和壁画表面风速都比主动送风状态下的小，对洞窟的主动干扰也就小；

2）通过空气交换律实验表明，主动抽风带来的洞窟壁画表面的风速很小，不会对壁画造成破坏；

3）从理论分析和实验可以看出，主动抽风相比主动送风则对洞窟影响就小，但是主动抽风相对主动送风效率低。因此主动抽风方案只是适用于中小洞窟。

参考文献：

[1]李最雄.敦煌石窟保护现状和面临的任务[J].敦煌研究，2000（1）：13-26.

[2]李最雄.敦煌石窟保护工作六十年[J].敦煌研究，2004（3）：10-26.

[3]侯文芳，薛平，张国彬，张正模，王旭东.莫高窟第217窟微环境监测分析[J].敦煌研究，2007，105（5）：93-99.

[4]王亚军，张艳杰，郭青林，杨善龙，张国彬.敦煌莫高窟第87窟温湿度特征[J].兰州大学学报，2014，50（1）：1-6.

[5]郑爱平.文物保存环境存在的问题及应采取的措施[J].暖通空调，2000（2）：63-65.

[6]郭宏.文物保存环境概论[M].北京.科学出版社，2001.

[7]韩占忠，王敬，兰小平.fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[8]王福军.计算流体力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[9]李福田，倪浩清.工程湍流模式的研究开发及应用[J].水利学报，2001，5（5）：22-2.

[10]朱自强.应用计算流体力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.endprint