CN113158595B - 一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及文物馆藏领域，具体公开了一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，包括以下步骤：(1)测量文物展柜的尺寸参数，绘制该文物展柜的三维物理模型；(2)在相应展厅内布置温度传感器Ⅰ，对该展厅的温度实施连续监控，获得展柜外实测温度变化数据；(3)利用编程软件对步骤(2)中获得的实测温度变化数据进行编译，获得展柜内部初步三维瞬态温度场模型；(4)在文物展柜内部布置温度传感器Ⅱ，对柜内温度实施连续监控，获得柜内实测温度变化数据；(5)利用步骤(4)中的柜内实测温度变化数据对步骤(3)中获得的展柜内部初步三维瞬态温度场模型进行标定。通过本发明，可以获得较为精确的文物展柜内部三维瞬态温度场模型。
Description
技术领域
本发明涉及文物馆藏领域，尤其涉及一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法。
背景技术
我国是一个有着五千年文明历史的国家，在人类文明的进程中留下了大量珍贵的文物，其中可移动文物多以馆藏模式进行保存、保护和展览。目前绝大多数文物保护单位由于缺乏足够的保护措施和技术手段，多采取陈列式展出、储存式保存等，属事后性、抢救型保护。随着岁月的流逝，这些珍贵的文物由于经受人为的破坏和自然作用的原因，遭受着不同程度的风化腐蚀。随着科学技术的发展和人们对于文物保护意识的提高，人们意识到必须转变文物保护观念，变事后性、抢救型保护为积极主动的预防性保护，这就要求必须花大力气开展文物保护技术研究、充分利用现代科学技术发展成果、采取积极主动措施对文物进行预防性保护，否则不尽快采取行之有效的防护措施，许多珍贵的历史文物遗产将不复存在。
馆藏文物环境温度的监测与控制是文物预防性保护工作的重要内容，通过对文物保存微环境温度的人为干预，让文物处于较为稳定的环境中，延长文物的寿命。目前除小部分展厅配备了恒温恒湿空调系统外，大多数博物馆或展览场所中仍使用被动控制的方式实现文物保存微环境的稳定，即通过展柜内布置的无线传感器传回的温度监测数据，及时调整集中式中央空调的控制参数；此种调控措施不具有预测性，不仅容易因无线传感器的网络连通性、电源不稳定对数据的采集及分析造成影响，从而影响温度控制策略；同时，数据采集的间隔时间短，传回的数据量大，对传感器电池的损耗大，还对终端储存、分析数据的要求高，无法以最优的能耗实现对文物保存微环境温度的调控；此外，由于固定资产设备成本的限制，当前无法做到传感器对所有展柜的全覆盖；而且，该方式对展柜内部流体行为的描述仅限于所布传感器处的温度，难以实现展柜内全区域温度场-气流场的定量化、可视化的细致描述。
CFD是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)的简称，是流体力学和计算机科学相互融合的一门新兴交叉学科，它从计算方法出发，利用计算机快速的计算能力得到流体控制方程的近似解；计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响；CFD软件通常指商业化的CFD程序，具有良好的人机交互界面，目前比较主流的CFD软件有CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、Comsol、Star-ccm+、Flow-3D等。使用CFD软件可对相关温度场进行建模，而针对不同对象，不同的建模方法则能得到不同精度的模型。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，以获得较为精确的文物展柜内部三维瞬态温度场模型，通过模型利于指导展厅、展柜无线温度传感器的布点与数据采集工作，实现更加精准的传感器布点以及数据采集，所构建的模型还有利于指导展厅温度控制策略的优化，以及事先评估展柜的温度控制效果。
本发明提供了一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，包括以下步骤：
(1)测量文物展柜的尺寸参数，根据所测量的尺寸参数在CFD软件中绘制该文物展柜的三维物理模型；
(2)在相应展厅内布置温度传感器Ⅰ，通过温度传感器Ⅰ对该展厅的温度实施连续监控，获得展柜外实测温度变化数据，并将数据传至上位机；
(3)利用编程软件对步骤(2)中获得的实测温度变化数据进行编译，编译后导入CFD软件的UDF模块中作为瞬态温度边界条件进行计算，获得展柜内部初步三维瞬态温度场模型；
(4)在文物展柜内部布置温度传感器Ⅱ，通过温度传感器Ⅱ对柜内温度实施连续监控，获得柜内实测温度变化数据，并将数据传至上位机；
(5)利用步骤(4)中的柜内实测温度变化数据对步骤(3)中获得的展柜内部初步三维瞬态温度场模型进行标定，直至模拟结果处于预设误差范围内，最后获得标定后的文物展柜内部三维瞬态温度场模型，完成模型构建。
进一步，在步骤(1)中，所述文物展柜包括用于放置文物的底座及罩设于文物外的隔离罩，所述隔离罩为底部开口的矩形透明玻璃框架结构，所述文物展柜的尺寸参数包括隔离罩的长度、宽度、高度及厚度。
进一步，所述CFD软件为Fluent软件。
进一步，在步骤(2)中，所述温度传感器Ⅰ为无线传感器结构。
进一步，在步骤(2)中，所述连续监控的时间为24h。
进一步，在步骤(3)中，所述编程软件为Visual C++软件。
进一步，在步骤(3)中，所述计算采用标准k-ε湍流模型进行瞬态求解。
进一步，在步骤(4)中，所述温度传感器Ⅱ为无线传感器结构。
进一步，在步骤(5)中，所述标定的具体实现方式为：通过在CFD软件调节隔离罩的玻璃导热系数的数值，使得初步三维瞬态温度场模型的模拟值趋近于柜内实测温度实测值。
进一步，在步骤(5)中，所述预设误差范围为±(0.2～0.4)℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
本发明提供的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，所构建的模型能够适用于不同的工况中，均能得到较好的预测效果；对于同种材质的展柜，只需要根据展柜所处的实际的外界温度变化情况即可直接运用本发明构建的模型计算出该展柜内部的温度变化情况；通过模型直接指导展厅、展柜无线温度传感器的布点与数据采集工作，实现更加精准的传感器布点以及数据采集；即使对于内部未设置传感器的同种材质的展柜，也可利用该模型对展柜内部温度场进行精度较高的预测；因此，使用本发明构建模型能够有效减少温度传感器的数量，节约固定资产投入，且根据模型的预测结果，可以延长温度传感器采集数据的时间间隔，延长了传感器电池的使用寿命，降低后续电池更换维护成本，同时，温度传感器数据传回的组数减少，极大地缓解了终端储存、计算数据的压力，降低了后续维护的成本。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的文物展柜传热分析示意图；
图3为本发明实施例的夏季工况下展柜内温度变化实测结果与模拟结果的比较图；
图4为本发明实施例的冬季工况下展柜内温度变化实测结果与模拟结果的比较图。
图5为本发明实施例的夏季工况下某一时刻展柜内部温度分布图；
图6为本发明实施例的夏季工况下某一时刻展柜内部气流分布图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例
本实施例提供了一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，包括以下步骤：
(1)测量文物展柜的尺寸参数，根据所测量的尺寸参数在CFD软件中绘制该文物展柜的三维物理模型。所述文物展柜包括用于放置文物的底座及罩设于文物外的隔离罩，所述隔离罩为底部开口的矩形透明玻璃框架结构，所述文物展柜的尺寸参数包括隔离罩的长度、宽度、高度及厚度；所述CFD软件采用Fluent软件。
(2)在相应展厅内布置温度传感器Ⅰ，通过温度传感器Ⅰ对该展厅的温度实施连续监控，获得展柜外实测温度变化数据，并将数据传至上位机。所述温度传感器Ⅰ为无线传感器结构；所述连续监控的时间为24h。
(3)利用编程软件对步骤(2)中获得的实测温度变化数据进行编译，编译后导入CFD软件的UDF(User Defined Function)模块中作为瞬态温度边界条件进行计算，获得展柜内部初步三维温度场模型。所述编程软件采用Visual C++软件；所述计算采用标准k-ε湍流模型进行瞬态求解。
(4)在文物展柜内部布置温度传感器Ⅱ，通过温度传感器Ⅱ对柜内温度实施连续监控，获得柜内实测温度变化数据，并将数据传至上位机。所述温度传感器Ⅱ为无线传感器结构；所述连续监控的时间为24h。
(5)利用步骤(4)中的柜内实测温度变化数据对步骤(3)中获得的展柜内部初步三维瞬态温度场模型进行标定，直至模拟结果处于预设误差范围内，最后获得标定后的文物展柜内部三维瞬态温度场模型，完成模型构建。所述预设误差范围为±(0.2～0.4)℃，即标定后的三维瞬态温度场模型的模拟值与柜内温度实测值之间相差(0.2～0.4)℃即可判定为结果吻合。
其中，所述标定的具体实现方式为：通过在CFD软件调节隔离罩的玻璃导热系数的数值，使得初步三维瞬态温度场模型的模拟值趋近于柜内实测温度实测值。采用这一标定方式的理由就在于：
对于文物展柜而言，玻璃内部的传热方式为热传导，玻璃内壁面与内部空气、外壁面与外部空气之间为热对流。为了更清晰地描述展柜传热过程，这里将其在一小段时间内简化为拟稳态的一维传热过程加以说明，如图2所示。玻璃内部的热传导，满足傅里叶定律：
式(1)中，q为热量通量密度；k为玻璃的导热系数；x为温度变化方向的距离。
玻璃表面与空气流体之间的对流换热的速率方程满足牛顿冷却定律：
q＝h(Ts-T∞) (2)
式(2)中，h为对流换热系数；Ts为介质表面的温度；T∞为介质表面流体的温度。
如图2所示，选取x方向的一段玻璃壁面，玻璃厚度为L，玻璃的导热系数为k；T∞1、h1、T∞2、h2、分别为展柜内、外空气温度与对流换热系数。
以展厅中央空调制冷的情况为例，柜外空气受到对流的影响，温度下降，贴壁处空气受到玻璃壁面温度的影响,在壁面附近产生一个温度梯度，即靠近壁面处温度高而远离壁面处温度低，并形成自然对流。此时由玻璃壁面向柜外空气流体传递的热量为q2，由式(2)，玻璃固体内的热传递由热传导实现，此时内壁面温度高于外壁面温度，故由玻璃内壁面向外壁面传递的热量为q3，由式(1)，/>在玻璃展柜内部，内壁面处空气温度低于柜内空气主体温度，进而形成自然对流。此时热量由柜内传向内壁面，对流换热的热量/>
当展厅中央空调关闭，柜外空气温度上升，热量传递方向与上述过程相反，热量通过自然对流→热传导→自然对流的方式由柜外流入柜内。
此处的分析仅起说明用途，不考虑玻璃内热量积累，总的传热通量Q满足式(3)，
Q＝q1＝q2＝q3 (3)
结合上述q1、q2、q3的计算公式，得出总热通量的计算公式，如式(4)所示。
式(4)表明，展柜内外传热速率由内-外温差和总热阻决定，其中总热阻由内部热对流、玻璃内热传导以及外部热对流三部分热阻累加得到。
由上式(4)可知，能量传递过程与温差ΔT、对流换热系数h1、h2、玻璃厚度L、玻璃的导热系数k有关。
本实施例中，将实测24h内展柜外空气温度(T∞2)的瞬态变化数据作为计算域的边界条件，展柜与环境的自然对流换热系数(h2)根据文献设定。展柜玻璃厚度L由实际测量得到。展柜内部空气流体的自然对流换热系数(h1)、展柜内空气流体的温度(T∞1)等均由数值分析的方式直接计算得出。由此，只需通过调整玻璃导热系数k的数值，使模拟结果趋近于实测结果，就可以达到对模型进行校准的目的。
以下为应用本实施例所示方法的具体应用示例：
某博物馆中，文物展柜为立式展柜，其长、宽、高分别为0.6m，0.6m，0.85m，展柜内底部(即底座顶部)铺有一层绝热材料，隔离罩的五个侧面均为透明有机玻璃制成，玻璃的厚度为0.025m。依据上述尺寸，建立了该展柜的三维数模。
根据展柜外部夏季工况下24h内的实测温度随时间变化数据，利用UDF编译为该模型的瞬态边界条件；以展厅开启中央空调的时间点为模拟计算起始时间点，利用标准k-ε湍流模型进行瞬态求解，得到该展柜内部24h内温度的变化情况。
将模拟结果与柜内实验监测结果进行比对；通过调节展柜的玻璃导热系数k，使得模拟结果与柜内实测结果相吻合；标定后的模型，如图3所示，模拟值与实测值得最大偏差为0.33℃，平均偏差为0.18℃。
将标定后的模型在未进行参数调整的情况下，直接应用于冬季展厅的实际工况中。得到如下结果，通过对比模拟值和实测值，得出以下结论：该模型在冬季工况下表现出了良好的预测性。模拟值与实测值的最大偏差为0.081℃，平均偏差为0.029℃。如图4所示。
以上结果说明，通过本实施例方法所构建的模型能够适用于不同的工况中，均能得到较好的预测效果。对于同种材质的展柜，只需要根据展柜所处的实际的外界温度变化情况及展柜尺寸即可直接运用上述模型计算出该展柜内部的温度变化情况。通过模型直接指导展厅、展柜无线温度传感器的布点与数据采集工作，实现更加精准的传感器布点以及数据采集。即使对于内部未设置传感器的同种材质的展柜，也可利用该模型对展柜内部温度场进行精度较高的预测。因此，使用上述模型能取得如下两个直接的经济效益：1)能够有效减少传感器的数目，直接节约固定资产投入；2)根据模型的预测结果，可以延长无线传感器采集数据的时间间隔，延长传感器电池的使用寿命，降低后续电池更换维护成本。同时，数据传回的组数减少，极大地缓解了终端储存、计算数据的压力，降低了后续维护的成本。
由于模型具有很好的预测效果，可以利用模型实现对展厅温控策略的优化。通过改变中央空调的设置参数，在保证文物保存微环境稳定的同时，兼顾实现温控能耗-展柜内温控效果，指导并优化展厅内温控策略，包括展厅中央空调在不同工况中制冷/热开启/关闭的时间；或在特殊工况下为文物保存微环境的温度，展厅中央空调开启制冷/制热时的环境温度，最终实现博物馆节能减排的效果。
通过建立的展柜三维瞬态模型，可以通过预先设定的展厅温度边界条件得出同类型、同材质展柜内部的温度、气流分布(如图5、图6所示)，实现博物馆展柜温度场、气流场变化的可视化，提高文物预防性保护的数字化及智慧化水平。
最后说明的是，本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)测量文物展柜的尺寸参数，根据所测量的尺寸参数在CFD软件中绘制该文物展柜的三维物理模型；
(2)在相应展厅内布置温度传感器Ⅰ，通过温度传感器Ⅰ对该展厅的温度实施连续监控，获得展柜外实测温度变化数据，并将数据传至上位机；
(3)利用编程软件对步骤(2)中获得的实测温度变化数据进行编译，编译后导入CFD软件的UDF模块中作为瞬态温度边界条件进行计算，获得展柜内部初步三维温度场模型；
(4)在文物展柜内部布置温度传感器Ⅱ，通过温度传感器Ⅱ对柜内温度实施连续监控，获得柜内实测温度变化数据，并将数据传至上位机；
(5)利用步骤(4)中的柜内实测温度变化数据对步骤(3)中获得的展柜内部初步三维瞬态温度场模型进行标定，直至模拟结果处于预设误差范围内，最后获得标定后的文物展柜内部三维瞬态温度场模型，完成模型构建；
在步骤(1)中，所述文物展柜包括用于放置文物的底座及罩设于文物外的隔离罩，所述隔离罩为底部开口的矩形透明玻璃框架结构，所述文物展柜的尺寸参数包括隔离罩的长度、宽度、高度及厚度；
在步骤(5)中，所述标定的具体实现方式为：通过在CFD软件调节隔离罩的玻璃导热系数的数值，使得初步三维瞬态温度场模型的模拟值趋近于柜内实测温度实测值。
2.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：所述CFD软件为Fluent软件。
3.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述温度传感器Ⅰ为无线传感器结构。
4.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述连续监控的时间为24h。
5.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述编程软件为Visual C++软件。
6.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述计算采用标准k-ε湍流模型进行瞬态求解。
7.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述温度传感器Ⅱ为无线传感器结构。
8.根据权利要求1所述的一种博物馆文物展柜内部三维瞬态温度场模型的构建方法，其特征在于：在步骤(5)中，所述预设误差范围为±(0.2～0.4)℃。
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