273文物库房空调气流组织设计中的CFD应用.doc

文物库房空调气流组织设计中的CFD应用华中科技大学 谢军龙 陈惠梅 王柳 杨柳摘 要：文物库房的保存环境在保存文物上有着重要的作用，环境的温湿度。本文通过建立库房的CFD仿真模型，对库房内的气流组织进行了数值模拟。通过对两种不同的送风方式的温度场的比较，为改造工程的气流组织形式提供了设计依据。模拟结果显示，在对空调精度比较高的场合，孔板送风方式能够更好的达到设计要求，在设计中应优先采用。关键词：库房空调 气流组织 温度场 数值模拟引言文物是人类文化科学技术发展的历史见证，不可替代，更无法再生。文物库房是博物馆的心脏1，在历史文物的保存中起到至关重要的作用。联合国教科文组织（UNESCO）在博物馆藏品在运输和展览中的保护方法和标准中规定，文物的保存环境控制系统必须首先考虑室内空气的温湿度、洁净度、速度、光照及噪声。而其中室内空气的温度和相对湿度是影响文物保存质量的两个最重要的因素2。在常规空调设计中，按照计算负荷得出送风量后，通常根据经验，设计出送回风方式及风口的分布及送回风速度等。这种设计方法基本上能满足一般舒适性空调的要求，但是在象文物库房这种对温湿度要求比较高的场合，在设计时就希望能够得到详细的温湿度的分布情况。CFD技术在预测和模拟室内气流组织方面日趋成熟。本文采用Fluent软件预测和模拟了武汉市博物馆二期库房改造工程中的库房的气流组织情况，为博物馆的库房空调设计提供指导。1 文物库房计算资料库房用于储存文物，平时基本没有人进出。本文选取位于博物馆二层的字画库房为计算算例。该库房的尺寸（长宽高）为5400mm4500mm2800mm，基本与实际尺寸一致。储存柜（2个）尺寸（长宽高）设置为4000mm600mm1800mm，沿回风方向放置于房间中部。回风口为460mm320mm。送风温差为6，室内设计温度为200.5。2 数学模型与空调气流组织方案通风空调房间的空气流动为湍流，因为送风温差的存在，浮升力对流动有一定影响。模拟方程采用经过浮力项修正的k-三维紊流模型计算3，k-模型在气流组织模拟方面有较好的准确性4。为简化计算，作如下假设：（1）气流流动为湍流流动；（2）室内气体为不可压缩气体，认为流体只受浮升力的影响；浮升力所产生的影响采用Boussinesq关于自然对流中浮升力与密度变化的假设，设密度差与温度成正比，即 （0）g = 0(T-T0)g （1）式中：0为参考密度；g为自由落体加速度；为热膨胀系数；T为流体温度；T0为参考温度。（3）室内气体均为牛顿流体，作定常流动；（4）忽略能量方程中由于粘性作用而引起的能量损耗；（5）不考虑渗透风的影响，即认为模拟房间为密闭房间。原空调的气流组织方案（方案1）是在房间的南墙上部设置散流器，采用侧送的送风方式，回风口采用下侧百叶回风方式，回风口设在与送风口相对的墙上。该气流组织方案中，送风口尺寸为160mm200mm，设置两个送风口，送风速度为2.86m/s，具体模型如图1所示，为简化计算，把屋面看作绝热壁面，其他边界条件均依据实际房间的负荷计算情况设置，具体见表1。图1 方案1库房计算模型表1 文物库房边界条件设置边界设定值东墙计算热流/(W/m2)21.5南墙计算热流/(W/m2)22.2西墙计算热流/(W/m2)0北墙计算热流/(W/m2)41.6南门计算热流/(W/m2)19北窗计算热流/(W/m2)58.4楼板计算热流密度/(W/m2)10储存柜计算热流/(W/m2)0孔板作为空调领域常用的一种送风口，在直接控制的区域内，能够形成比较均匀的速度场和温度（浓度场）5，常用于精度要求较高的场合。为得到更好的温度场分布，在改造工程中把库房的送风方式设计为孔板送风方式（方案2）。因建筑物本身层高有限，静压箱不能过厚，故采用风管直接至于静压箱内，并在其上部开口的方式，开口尺寸设置为50mm25mm。气流经过开口从上部送入静压箱中，以达到较好的稳压效果。静压箱下方设置孔板送风口，其尺寸为320mm270mm，置于房间中部。具体模型见图2。静压箱有保温要求，故静压箱所对的墙体的负荷必定通过与其相连的墙体传递至室内。对各个边界的热流密度稍作改变，以保证房间的总冷负荷保持不变，从而使两个方案中的送风量一致。图2 方案2库房计算模型3 计算结果分析为比较两种方案的气流组织情况，为库房空调设计提供指导，分别对两种方案进行了数值计算，并选取了一些截面的温度分布情况等值线图进行分析比较。以下是模拟的结果。 a 散流器送风Z1.4mb 孔板送风Z1.4m图3 Z1.4m温度分布图 a 散流器送风Y2.7mb 孔板送风Y=2.7m图4 Y2.7m温度分布图模拟结果显示，两个方案中有热流的壁面上均产生了一层比较薄的高温层。因此，在摆放储存柜的时候应尽量避免靠有传热的壁面摆放，从而减少高温对文物所产生的不良影响。图3为两种送风方案中Z1.4m的截面图。Z1.4m是房间中部的位置。从图中可以看出，在该截面上，两种方案基本上都能满足设计要求。方案1的温度值在19到20.5之间，而方案2的温度值在19到20之间，且方案2中19的面积比方案一略小。图4是与回风口平行的房间正中间的截面。该截面上，方案1的右边柜顶上的温度达到了21，而方案2的最高温度仍然处于设计要求（20.5）范围内。 a 散流器送风X=2.25mb 孔板送风X=2.25m图5 X2.25m温度分布图图5为垂至于X方向的房间正中的截面。整个截面中，方案2的整个截面基本上都能处于20的范围内，方案一的温度分布不如方案2的理想。 a 散流器送风X=1.45，3.05mb 孔板送风X=3.05，1.45m图6 X1.45，3.05m温度分布图整个方案设计中，最受重视的应是储存柜的壁面的温度分布情况，因为它最能影响文物的保存质量。因此我们分别选取了垂直于X轴的（储存柜的长度方向）两个储存柜的中间截面温度分布图（图6）。从图中可以看出，除了方案1中的右边的柜顶有部分温度超过了设计要求之外，两个方案的温度场都很好的符合了设计要求（200.5）。综上所述，在不考虑经济技术的条件下，方案2的温度场分布略优于方案1，更有利于保证文物的储存环境，应优先采用。在方案2中，由于风管中的原始气流方向的影响，导致沿该气流方向的一侧，即靠近有传热的与储存柜的长度方向平行的区域温度较低。为解决这一问题，可在风管出风口处加装与原始气流方向相反的小角度的导流片，减少这一区域的送风量，从而使该区域的温度略为提高。4 结论本文通过数值计算，讨论了两种送风方式对室内温度场分布产生的影响。结论如下：（1）CFD数值模拟分析可以为工程设计提供指导。传统的经验设计在要求比较高的场合中，难以保证空调的精度要求。而CFD技术的应用可以为设计提供预测和指导，从而保证了设计的效果。（2）本文所选取的两种设计方案中，方案2的空调效果略优于方案1，在对温湿度精度要求比较高的场合中，应优先采用孔板送风方式。参考文献：1黄福康. 博物馆文物库房标准的探讨. 文物保护与考古科学，2002年12月2郑爱平. 文物保存环境存在的问题及应采取的措施. 暖通空调，2000，2（30）3Guceri S I, Farouk B. Numerical Solution in Lamina rang Turbulent Natural Convection. In: S Kak