黄河流域某土遗址博物馆热湿环境的数值模拟与实验研究

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土遗址作为古代人类社会活动留下的产物,具有一定的历史价值、艺术价值和科学研究价值。预防土遗址被破坏,延长土遗址的寿命是近年来科研研究的热点和难点。在土遗址原址的基础上建立博物馆能对土遗址进行较好的保护,其保护形式又分为封闭式和开放式。本文提出在对土遗址进行封闭保护的同时,引进空调系统对土遗址保护区进行温湿度调控。设计了三种送回风口的布置方案,采用数值模拟的方式对三种布置方案的气流组织进行分析。搭建了土遗址保护区模拟实验台,对空气与土壤的热湿交换进行研究,主要研究内容包括:(1)对土遗址保护区适宜的环境参数进行研究,使用文献调研的方式对目前土遗址博物馆的环境参数进行统计,研究室内博物馆中土遗址表面干裂、产生霉菌等病害的原因,探索适宜土遗址保存的环境参数。根据土遗址所在地的气候条件和地理位置,分析可能对土遗址保护区造成影响的因素。本文采用空气温度为15±1℃,相对湿度为85±5%的保护区设计参数。根据暖通设计的规范,对土遗址保护区的负荷进行计算。(2)为满足土遗址表面风速较小,且温湿度分布均匀的要求。设计并建立了三种送回风口布置方案的数值模型,通过CFD软件研究回风口位置和送风角度对温湿度分布均匀性的影响。三种布置方案分别为对侧送回、同侧送回和环形送回。模拟结果表明:回风口位于侧墙底部时,同侧送回的温湿度较为均匀,风速较低,环形送回次之。当回风口位于侧墙顶部时,土壤表面的平均温度值增大,平均湿度值减少,温湿度分布均匀系数增大。研究送风角度对气流组织的影响:对侧送回和环形送回在向下送风30°时,平均温度最低、相对湿度最大。同侧送回在向上送风30°时,平均风速较低且温湿度分布更为均匀。因此对于本项目研究的土遗址保护区,向上小角度送风的同侧送回和向下送风的对侧送回布置方案可以获得较为良好的气流组织环境。(3)为研究空气与土壤之间的热湿交换,搭建了土遗址保护区模拟实验风洞。研究表面空气温度与土壤的温度差和风速对土壤温度场和湿度场的影响。研究结果表明:当表面空气温度低于土壤温度时,风速越大,土壤表面的温度越来越接近表面空气温度,冷量输运的极限距离更长,土壤内部的温度分层现象更加明显。当风速较小时,表层土壤受外界环境温度波动的影响,可能会出现土壤含水率增大的现象。而土壤表面的风速较大时,土壤表层的含水率不易因表面空气的小幅度波动而产生变化。当风速较低时,空气与土壤之间的温度差对蒸发量的影响不大。但随着风速的增大,土壤的蒸发量受表面空气的温度影响变大。
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