敦煌莫高窟微環境控制方式的CFD仿真與實驗

張春庭++蘇伯民++張正模

內容摘要：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CFD技術對洞窟微環境引入的控制手段進行分析，結果表明主動抽風產生的氣壓以及壁畫表面的風速都比主動送風方式要小。在對第131窟所做的空氣交換率實驗證實了CFD的分析結果。因此主動抽風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，同時對洞窟內的文物影響很小。

關鍵詞：計算流體力學；主動抽風；主動送風

中圖分類號：K854.3 文獻標識碼：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

世界著名遺產地敦煌莫高窟地處戈壁腹地，是我國第一批列入世界遺產名錄的文化遺產。敦煌莫高窟文化瑰寶的保護一直得到我國政府的高度重視。陰雨天氣和沙塵天氣導致洞窟微環境突變，對洞窟壁畫的保存帶來很大的負面影響[1][2]。陰雨天，外界環境空氣是高濕度，隨著洞窟內外空氣交換，窟內濕度升高，導致壁畫損壞[3][4]；在沙塵天氣，沙塵進入洞窟，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。此外隨著旅游業的不斷發展，大量的游客參觀使洞窟微環境改變，已經威脅到壁畫的保存。游客參觀帶來的洞窟環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境中，對壁畫保護造成潛在的威脅[5][6]。

莫高窟洞窟保護的最終目標是，開發一套微環境控制系統以更好的調節洞窟內的微環境，包括溫度、濕度以及二氧化碳含量，從而更好地保護洞窟內的壁畫、塑像等。基于CFD技術分析方法，對洞窟微環境引入的控制手段進行風險分析，確保控制方式和控制量不會對文物有任何的損害。

洞窟微環境控制引入的干預手段主要是送入干燥空氣。該手段對洞窟環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，采用CFD技術并結合現場試驗驗證，最終確定充入干燥空氣的方式。

1 洞窟微環境分析的物理模型

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 網格劃分

在CFD數值模擬中，每個控制體積都由一個網格節點來代表。網格節點的生成對CFD數值模擬至關重要。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格，每隔2.5cm分割一次，邊界都設置為墻面，采用Gambit軟件生成的網格如圖2所示[7]。

甬道頂部設置了一根管道，管道中部設置了一臺風扇。在主動送風狀態下，進風口的大小等于管道的橫截面積，出風口的大小為甬道橫截面減去管道橫截面后得到的面積。主動抽風狀態下，出風口的大小等于管道的橫截面積，進風口的大小為甬道橫截面減去管道的橫截面面積。通過改變風扇兩側的壓力差來改變送風和抽風的風速。仿真時，設置風扇兩側的壓力差為10Pa[8]。

2 仿真分析

采用Fluent軟件進行仿真計算，主要分析主動抽風和主動送風兩種工作狀態下洞窟內的壓力以及風速[9][10]。主動抽風主要是開啟風扇抽取洞窟內的空氣，造成洞窟內局部的負壓，外界空氣在壓力差的作用下進入洞窟；主動送風是主動向洞窟內輸入一定壓力的干燥空氣，置換出洞窟內的濕空氣。endprint

2.1 主動送風

主動送風狀態下z=0，洞窟剖面空氣流動分布如圖3所示。

從圖3可以看出，風速在進風口比較大，洞窟墻壁最大的風速是在正對進風口處，為1.77m/s。

主動送風狀態下壓力分布如圖4所示，可以看出壓力最大的地方出現在正對進風口處，最大表壓為5.22Pa。

2.2 主動抽風

主動抽風狀態下z=0，洞窟剖面空氣流動分布如圖5所示，可以看出，風速最大處位于出風口，最大達到3.43m/s；洞窟墻壁表面的風速比較小，一般為0.171m/s。

主動抽風壓力分布如圖6所示，可以看出洞窟內的壓力分布比較小，表壓最小為0.0598Pa，大部是負壓區，壓力為-0.588Pa。

對比主動送風和主動抽風兩種狀態下空氣流動速度，洞窟墻壁主動送風最大達到1.77m/s，而主動抽風達到0.171m/s。壓力在洞窟內的分布，對于洞窟墻壁，主動送風最大達到5.22Pa，主動抽風達到-0.588Pa。

因此，對比主動送風和主動抽風兩種狀態下洞窟墻壁表面最大風速和壓力，主動抽風都比主動送風小，從保護壁畫的角度出發，仿真結果表明主動抽風比主動送風效果要好。

3 實 驗

為了驗證主動抽風的效果而選取莫高窟第131窟為實驗洞窟，進行空氣交換實驗。實驗的目的洞窟門外形如圖7所示。

洞窟自動保護門的結構如下圖所示，門的上下各有百葉，通過上下電動推桿可以自動打開和關閉；中間是抽風風扇，風扇轉動抽取洞窟內的空氣，經過門框邊緣的風道輸出到洞窟外。

實驗的步驟是：

1）向洞窟內充入一定濃度的CO2；

2）開啟抽風風扇，抽取洞窟內的空氣，造成洞窟內局部負壓。外界空氣在壓力差的作用下，從而進入洞窟；

3）8個傳感器在洞窟內的布置如圖9所示，讀取微風傳感器的值；

4）當CO2濃度下降到600ppm以下時，關閉抽風風扇，洞窟內空氣交換結束。

8個微風傳感器的數值如圖10所示。

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

4 結 論

1）采用CFD技術分析主動抽風和主動送風兩種狀態下洞窟內的壓力分布以及風速，主動抽風造成的空氣壓力和壁畫表面風速都比主動送風狀態下的小，對洞窟的主動干擾也就小；

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

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

參考文獻：

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[10]朱自強.應用計算流體力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.endprint