敦煌莫高窟微环境控制方式的CFD仿真与实验内容摘要：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：K854.3文献标识码：A：1000-4106（2017）06-0167-05TheCFDSimulationandTestoftheControlModeoftheMogaoGrottoesMicroEnvironmentZHANGChunting1SUBomin2ZHANGZhengmo2（1.InstrumentionTechnologyandEconomyInstitute，Bei激ng100055；2.DunhuangAcadmy，Gansu，Dunhuang736200）Abstract：Inordertoensurethatthecontrolmethodandcontrolvariableofthecaveswillnotdamagethemuralsandstatuestoanydegree，CFDtechnologywasusedtoanalyzethecontrolmeansofthecave’smicroenvironment.Theanalysisresultsshowthatactiveventilationcreateslowerpressureandmuralsurfacewindspeedthanactiveairsupply.Theairexchangeexperimentincave131confirmstheresultsofCFDanalysis.Itcanthusbeconcludedthatusingtheactiveventilationcontrolmethodinsmallercavesiseffectiveinreducingairhumidityanddecreasingtheconcentrationofcarbondioxide，lesseningtheinfluenceontheculturalrelicsinthecaves.Keywords：CFD；activeventilation；activeairsupply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?馐歉呤?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...