自然对流—多向加热沙疗系统的传热特性研究

阿依先古力·热合曼 居来提·买提肉孜 佐热姆·拜科日 李乾坤 于洋

摘 要：对沙疗室传热系统的传热效果和沙体层的温度分布情况，按照现有的最佳加热系统自然对流-多向加热采用标准k-？着湍流模型建立大型和小型两种规格尺寸的三维物理模型，并按照基础实验数据与模拟结果，不同边界条件基础下对系统的温度场、速度场进行数值模拟和数据对比。经过研究得出了自然对流-多向加热对大型沙疗室加热系统的传热效率无明显的高，沙体层垂直温度分布较均匀，以及强迫对流对多向加热的系统温度变化没有明显影响。以此大型沙疗室无法达到温度分布更为均匀等原因，将沙疗室的布置改成为由沙疗床组成的治疗场所，通过对比分析得知了沙疗床对沙疗的过程和传热效率带有所提高。

关键词：k-？着模型；传热效率；数值模拟；沙疗床

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：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-？着 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

沙疗目前是国际健身治病潮流而且有显著疗效的新疗法。埋沙治疗中[1]，将患者的膝盖部位或者全体埋入在沙体中，因此患病处受到沙粒中各类微量元素、矿物质和沙粒之间的相互移动刺激患处，由此产生的热量传送给皮肤、肌肉、股骨等组织，推动患处的血液循环[2]，在世界传统民族医学中沙疗的这种通过传热来治病的特性具有重要地位。具体来说是吐鲁番维医中通过埋沙来治关节病历时长久。吐鲁番具备着世界上最好的沙疗资源和沙疗场所，吐鲁番无论是在气候温度的优势方面或者是含有丰富的磁铁矿物质和微量元素的田沙方面，有其他地方所不能具备的特殊优势[3]，是我国著名而唯一的沙疗圣地。

尽管我国吐鲁番是著名的沙疗圣地[4]，沙疗因受到气候、环境、时间等自然因素的影响，一直没能实现随时能够进行治疗的需求。到目前为止有关研究人员对优化加热系统并且提高系统传热效果做相关性研究分析，通过数值模拟和实验研究得出了能让加热系统传热效率提升的自然对流-多向加热方式。现如今为世界传统民族医学中的精髓之一埋沙治疗又有了功能最为优异的新治疗结构沙疗床。沙疗床在加热效率、能耗、加热速度和经济等方面更有优势。因此沙疗床在未来会是埋沙治疗中的应用范围最广泛，效率最优异的一种沙疗结构。

1 实验与数据分析

1.1 实验

目前对埋沙治疗有关研究人员建立小型沙疗平台进行研究得出了最佳的加热系统-自然对流-多向加热方式。按照现有的埋沙治疗加热系统和有关研究结果，在吐鲁番大型室内沙疗室经过对5cm～30cm深度的沙层进行做实际实验和模拟实验采集了温度数据，从实验数据发现加热时间同样的控制在7小时到9小时之内实际实验数据和模拟实验数据基本吻合，一直均匀增长，温度差较小，从而得知大型室内沙疗室的加热温度情况基本达到了人体最需要的最合适的温度42.5℃[5]。以下为在大型沙疗室数据采集当中的数据采集示意图（如图1）和实验数据（如表1）和（如表2）。

1.2 数据分析

通过在实际沙疗室做模拟和实际实验测出了以上数据。从这些数据可以看出同一个时间段沙子深度同样厚度时模拟和实际实验数据之间的差别不大，随着加热时间的增高深度不同的沙体层温度也逐渐的增高，虽然模拟实验所得出的数据稍微高一些，但基本接近实际实验的数据，因此我们初步能断定自然对流-多向加热系统大型沙疗室基本达到最佳的加热效果，各项数据基本合理[2]。为更明确的分析实验数据的变化情况，下面建立了两项实验数据的XL曲线图（如图2）。

从曲线图可以明确的看到，系统加热到7小时至9小时之间的温度变化情况模拟实验和实际实验渐渐上升的状态，沙体垂直温度层的一直均匀上升状态可以满足埋沙治疗所需要，对人体无损害沙体温度。

2 数值计算

2.1 大型沙疗室的数值计算

2.1.1 建立物理模型与生成网格

按照现有的小型沙疗平台的加热系统，建立几何尺寸为5m*8m*2.7m的大型沙疗室物理模型，并对它进行划分网格、定义边界条件用FLUENT软件分析出沙疗室加热系统的温度场和速度场变化。为确保和提高数值计算结果的精确度，对物理模型要定义合理的边界条件。数值计算当中采用能量方程、DO模型以及标准k-？着湍流模型[6-7]。大型沙疗室的物理模型（如图3）。对于划分网格传热系统物理模型在现有实验平台的基础之下，为了避免矩阵式[8]计算所带来的麻烦、在网格划分技术方面采用了没有矩阵式计算的方式-结构化和非结构化相互结合方式。因此对沙体层相应的是六面体形状为主的结构化网格方式；对于空气层也同样是六面体结构化网格方式，而辐射加热灯周围的近距离应用非结构化网格方式，并且消除“台阶效应”[9]对物理模型制造的网格划分精度方面的影响，这样网格划分的效果会更加的接近贴体坐标法（BFC）[10]的标准。网格划分（如图4）。

2.1.2 定义边界条件

网格划分的下一步是对物理模型进行制定边界条件，将室内沙疗室沙体层、沙体层侧边以及顶部热源一律可定义为wall，对于计算区域的属性设置定义的时候，系统内地面的沙体层可定义为Solid，屋顶边上的空气层可定义为Fluid。然后将物理模型导入FLUENT软件，为了保证数值计算的顺利完成，对网格划分进行检查。为了提高数值计算的准确度要注意这几个部分：（1）实验平台中沙子底层

隔热膜有防火作用，所以数值计算中各面设置成绝热体；（2）加热后气体温度差导致的密度差会受重力的影响，因

此浮升力不能忽略；（3）将风扇简化成面再计算能实现极

高精确度的结果；（4）系统内空气服从牛顿流体条件，因此各面上空气也全服从不滑动的条件；（5）加热系统是全密

封状态，可不用考虑实验平台里小缝隙导致的对流问题；以下为提高数值计算精确度对系统设定的边界条件流程图（如图5）。

辐射选项选用为DO模型，并且将各参数设置为默认值。在沙疗中研究的是因为沙体层温度场跟随加热时间所发生的变化，之所以以非定常计算为主要计算方法。设置边界条件时，室内沙疗室周围四面墙和底层与外面环境不会互换热量，可一律定义为绝热面，屋顶16支加热灯为辐射性热源。本文当中所有的数值计算方式一律选用SIMPLE压力计算法[11]。

2.1.3 温度场和速度场分析

按照有关研究人员通过重复实验研究出的加热效率最佳的自然对流-多向加热系统的现状，对几何尺寸为5m*8m*2.7m的大型沙疗室物理模型达到实际沙疗场所需的温度为止进行数值模拟。因为在实际沙疗场所通过实际实验所得的数据当中达到理想温度所需的时间为7小时到9小时。因此，数值计算当中同样的把时间控制在7小时到9小时之内，并且对系统温度场变化云图进行分析。加热系统温度场云图（如图6）。

根据数值计算计算结果对空气层并且沙体层的温度场变化进行分析，从温度场云图分布情况可看到：系统内因为有辐射加热灯、加热板、沙表层的电暖线，空气层的温度分布情况比较集中在中间。同样的将加热时间设定在7小时到9小时之间，数值计算到7小时计算结果无变化，显示出了较好的加热效果。但沙体层垂直温度梯度情况比较明显，系统温度分布状态是偏高偏低。从此可以断定大型沙疗室温度场情况跟实际实验对比有一定的出入和欠缺。

同样的理论基础之下，对大型沙疗室物理模型把时间控制在9小时之内的条件下进行数值计算并且对系统速度场变化进行分析。以下为加热系统速度场云图（如图7）：

根据数值计算计算结果对空气层并且沙体层的速度场变化进行分析，从速度场云图分布情况可看到：因为辐射加热灯和沙体表面层温度稍微高一些，以此在空气中存在明显的浮升力。空气中的热气流上升形式较为不规则，再因为遇到周围墙的阻止，在上升当中且会出现较为大一些的涡流形状。多向加热时在系统内温度分布情况虽然比较均匀、但也存在一些温度梯度状况，因此辐射加热灯近距离流体跟随遇热温上升，出现的涡流形状比较明显，以此确定7小时的加热时间对系统内空气流动速度的影响稍微大一些。

2.2 沙疗床的数值计算与特性

2.2.1 沙疗床的数值计算

关于沙疗到今日为止有了各种先进、无欠缺并且实惠方便的新科技。首先是以前的室外沙疗变成了人工加热的室内沙疗室；其次加热系统存在欠缺的室内沙疗室优化成了具有最佳加热系统的室内沙疗室；然后在此正要研究的是-加热方式为底部加热和四周加热方式的、具有完美加热系统的、设备很先进、体积适当的小、无欠缺、实惠又便携式的沙疗床。它还有称之为“简单的健康大使”。

因此对沙疗床做进一步的数值计算分析。以下为用UG7.0软件中建立的几何尺寸为2.2m*1.2m*0.6m的沙疗床物理模型（如圖8）和与沙疗室同样边界条件下用Gambit软件进行划分网格结果图（如图9）。

同样的理论基础之下，对沙疗床进行数值模拟分析。以下图为沙疗床的数值模拟分析结果，温度场云图（如图10）和速度场云图（如图11）所示。

从温度场云图分布情况可得知：空气层的温度分布情况非常的均匀，沙体层垂直方向无任何温度梯度情况，这说明沙子的加热速度平稳，传热效率高。从速度场云图分布情况可得知：气流上升形式很规则，无出现明显的涡流形状，加热过程中空气流速很均匀，模拟计算结果很理想。

2.2.2 沙疗床的特性

相比于沙疗室，沙疗床在各方面更有优势，比如：（1）外观优美精致，总体积小、通常标准的尺寸规格为2.2m*1.2m*0.6m、方便移动；（2）卫生，不会污染环境；（3）床体材料纯属木质，对人体和系统没有负面影响；（4）寿命长；（5）加热速度快；

（6）电压220V、能耗1800W、功率适当、节省电和时间；（7）床内沙子的更换周期长，短时间内不会容易发生质变；（8）加热-控制系统很完整，具备智能温度调节-控制器、排气孔、感温探头、床体内外固定结构；（9）温度调节方便，使用容易；（10）加热系统用的材料是远红外频谱加热板相当的安全，用电、价格、加热原理等方面更有优势、能耗低、传热均匀。

3 结束语

现如今这样人类越来越注重自身健康问题的时候，沙疗床尚未普遍的使用，在价格方面不是任何一个人能接受得了的价格。如果价格方面更有优势，用电情况更为节约型，治疗效果最为好的治疗结构将来会是另一种需求。

综上所述，根据对于沙疗室的实际实验对比结果、沙疗室与沙疗床的数值计算结果，可得知沙疗床传热效率高、能耗损失低、加热系统安全，相比于沙疗室沙疗床是传热效率最佳，目前为最好的、最先进的一个埋沙治疗结构。本文的研究内容在沙疗床未来的应用当中定会有重要意义。

参考文献：

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