CN115563902A - 一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法 - 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换气率的二氧化碳数值检测方法，包括根据文物展柜的结构参数，利用CFD软件搭建该文物展柜的三维物理模型，使用实验测量结果对模型进行标定。本发明提供一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，在虚拟空间内进行数字化实验，进而测量文物展柜的换气率，无需在真实展柜中加入二氧化碳示踪气体，对文物无损，也不影响文物的保存环境，对检测者和环境安全无害。

Description

一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法
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换气率的二氧化碳数值检测方法。
背景技术
展柜密封性是评价展柜质量的重要指标；密封性好的展柜能够一定程度上隔绝外界空气中的污染物，从而有效降低外界环境污染物对展柜内环境的影响，同时对外界环境的湿度变化具有缓冲作用，因此展柜的密封性能也是制定柜内湿度调控措施的主要依据；展柜的密封性通常由展柜换气率来表示，即无外加动力、无压力差的情况下，一天内由展柜外进入展柜内空气的体积与该展柜的容积之比。
现目前，主要采取二氧化碳示踪气体实验检测法测定展柜换气率，方法如下：首先，向展柜中通入一定量的高浓度二氧化碳气体，随着展柜外的空气不断从展柜的缝隙中渗入柜内，柜内的高浓度二氧化碳气体也同时通过展柜缝隙渗出柜外；随着柜内外的气体交换，柜内高浓度的二氧化碳气体被不断稀释，由于柜内外无压力差，同一时间内进入展柜的气体量与渗出展柜的气体量是相同的，且柜外空气中的二氧化碳浓度为定值，即通过下述公式可以计算得出展柜的换气率：
C-C1＝(C0-C1)·exp(-R0·t)；
Figure BDA0003908031280000011
式中，C为展柜内二氧化碳浓度，C1为柜内初始二氧化碳浓度，C0为空气中二氧化碳浓度，t为时间，R0为展柜换气率，q为单位时间内展柜的进气量，V为展柜体积。
然而，该实验方法还可以进一步改进：第一，在展柜中通入高浓度二氧化碳作为示踪气体，一定程度上改变了文物保存环境，不利于文物保存环境对于洁净、稳定的要求；第二，需要采购二氧化碳气源及相应的气体检测设备，且实验要求在一个恒温的环境中进行，对实验环境的高要求也带来了实验成本的上升；第三，该实验只能在恒定的环境下进行，环境温、湿度的变化会引起测量结果的偏差，因此所测得的结果并不能直接应用于不同的且实时变化的环境中。
因此，就需要一种快速且低成本的检测方法。
近年来，随着计算机技术及流体力学的发展，越来越多的实际工程问题都可以应用数值模拟技术来解决。CFD即计算流体力学(Computational Fluid Dynamics)，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。
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换气率的二氧化碳数值检测方法，基于CFD手段在虚拟空间当中进行数字化实验，进而测量换气率，无需在真实展柜中加入示踪气体，对文物无损，也不影响文物的保存环境，对检测者和环境安全无害。
为实现上述目的，本发明提供了一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，包括以下步骤：
(1)根据文物展柜的结构参数，搭建该文物展柜的三维物理模型；
(2)对步骤(1)中的文物展柜所处环境进行实验测试，分别在展柜外部及内部布置温湿度传感器，对柜内和柜外的环境实施连续监控，获得展柜内、外实测温湿度结果；
(3)利用编程软件对步骤(2)中获得的柜外环境温度实测结果进行编译，编译后导入CFD软件中作为模型的温度边界条件进行计算；同时利用编程软件对步骤(2)中获得的柜外环境湿度实测结果进行编译，编译后导入CFD软件中作为柜内柜外连通处的湿度边界条件进行计算，获得展柜与外界环境间的物质交换与能量交换的三维模型，并输出柜内温度随时间变化的结果；
(4)依据步骤(2)中所得柜内温度实测结果对步骤(3)中所得柜内温度计算结果进行标定后，输出经温度标定后的展柜与外界环境间的物质交换与能量交换的三维模型；
(5)在CFD软件中依据步骤(4)得到的校正后的三维模型，输入柜内初始二氧化碳浓度及水蒸气浓度作为模型的初始条件，输入柜外水蒸气浓度及柜外环境二氧化碳浓度作为模型的边界条件进行计算，并输出柜内二氧化碳浓度随时间变化的结果；
(6)使用数据分析软件，对步骤(5)所得柜内二氧化碳浓度随时间变化的结果作图，用指数衰减方程进行拟合，当R2≥0.99时，计算得到的相应参数R0即为该展柜的换气率。
优选的，在步骤(1)中，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，隔离罩为底部开口的矩形透明玻璃框架结构，隔离罩与底座之间具有缝隙，该缝隙即为展柜与外界连通部分；所述三维物理模型设有与缝隙对应的接口。
优选的，在步骤(2)中，连续监控的实施时间为24小时且每15分钟上传并保存一组数据。
优选的，在步骤(3)中，展柜外环境温湿度实验测量曲线被编程软件编译为用户自定义函数(UDF)作为模型的温度与湿度边界条件进行计算。作为本发明技术方案的进一步改进，在步骤(4)中，通过设定模型所计算得出的温度值与实验实测温度值之间的平均偏差及最大偏差的阈值实现模型的标定。
优选的，在步骤(4)中，当采用三维模型所计算得出的温度值与实测值之间的平均偏差及最大偏差均小于实验仪器的测量误差时，判定为结果吻合。
优选的，在步骤(4)中，三维模型的可调参数为展柜与外界环境间的自然对流换热系数的数值。
优选的，在步骤(5)中，引入组分输运模型，同时将展柜内部的流体区域的气体设置为包括二氧化碳、水蒸气及干空气的混合气体，将初始状态下柜内二氧化碳的质量分数设置为0.025，水蒸气的质量分数根据实测湿度值设定，将柜外空气中的二氧化碳质量分数设置为0.00048作为出口的边界条件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
一、本发明可以定量且详细地描述实际环境温度、湿度变化的条件下，展柜内外的空气交换过程，经实验结果标定后的三维模型有很高的预测精度；
二、本发明是基于CFD在虚拟空间当中进行数字化实验，进而测量换气率，无需在真实展柜中加入示踪气体，对文物无损，也不影响文物保存环境的洁净、稳定，对检测者和环境安全无害；
三、本发明快速、成本低廉，无需购买示踪气源，也无需购买气体分析检测设备，对检测环境无要求；
四、本发明的数值模型一经建立和标定，就可以用数值模拟测量各种环境条件(温湿度)下的展柜换气率，可以在任意环境温度、湿度下，在不改变文物保存环境条件的前提下，以一种快速且低成本的方式计算博物馆展柜的换气率。
当然，本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。
图1为本发明一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法的流程图；
图2为本发明实施例所建立的展柜三维物理模型示意图；
图3为本发明实施例中CFD模拟结果与实测结果的温度对比示意图；
图4为本发明实施例中展柜内二氧化碳浓度随时间变化的数值结果示意图；
图5为本发明实施例中展柜内二氧化碳浓度随时间变化的实验测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明具体提供了一种换气率的数值检测方法，具体为一种基于CFD与现有二氧化碳示踪气体实验检测法的博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，主要包括以下6个步骤。
(1)利用CFD软件(具体可为Fluent软件)，搭建博物馆文物展柜的三维物理模型。
该步骤中，文物展柜可包括用于放置文物的底座及罩设于文物外的隔离罩，隔离罩为底部开口的矩形透明玻璃框架结构，隔离罩与底座之间具有缝隙，该缝隙即为展柜与外界连通部分(也称为连通处)；三维物理模型则设有与缝隙对应的接口。
该步骤可细化如下：利用文物展柜的实际测量尺寸和各部件的材质信息，在CFD软件中绘制文物展柜的三维物理模型；根据实际情况，建立文物展柜与外界气体连通的接口；在CFD软件中，通过设置上述模型各边界层的壳层(Shell)的厚度L1(m)，表示玻璃固体壁面的厚度L1(m)；通过设置壁面厚度(Wall thickness)LN(m)，表示各部件固体壁面的厚度LN(m)。
(2)在文物展柜外部及内部分别布置无线结构的温湿度传感器，对柜内和柜外的环境实施24h(小时)的连续监控，以获得展柜内、外实测温湿度结果。
(3)利用编程软件(具体可为Visual C++软件)对步骤(2)中获得的柜外环境温度实测结果进行编译，编译后导入CFD软件中作为模型的温度边界条件进行计算；同时利用编程软件对步骤(2)中获得的柜外环境湿度实测结果进行编译，编译后导入CFD软件中作为柜内柜外连通处的湿度边界条件进行计算，获得文物展柜与外界环境间的物质交换与能量交换的三维模型，并输出柜内温度随时间变化的结果。
(4)使用步骤(2)中获得的柜内温度变化数据对步骤(3)中获得的三维模型的温度计算结果进行标定；若二者的结果吻合，则认为上述三维模型准确，可用以下一步的数值实验；若二者结果不吻合，则调整三维模型的可调参数，直至二者结果吻合为止。
该步骤中，当采用步骤(3)的三维模型所计算得出的温度值与实测值之间的平均偏差及最大偏差均小于仪器(该仪器可为本实施例采用的温湿度传感器)测量误差时(具体可视为0.3℃)，判定为结果吻合；否则判定为结果不吻合。
该步骤中，三维模型的可调参数为展柜与外界环境间的自然对流换热系数h的数值。
(5)在CFD软件中利用步骤(4)得到的校正后的三维模型，设置展柜内示踪气体二氧化碳的初始质量分数来表征柜内二氧化碳的初始浓度，设置展柜内水蒸气的初始质量分数来表征柜内的初始环境湿度，设置展柜与外界连通部分的空气中二氧化碳的质量分数来表征外界空气中的二氧化碳浓度，设置外界空气中水蒸气的质量分数来表征外界的环境湿度。
可见，对模型进行标定时，本实施例选择了实测温度结果对模型进行标定，并且充分考虑了展柜与外界环境间的传热过程(热传导与自然对流过程)和传质过程(外界环境的湿度变化被作为模型的边界条件代入计算，展柜内的初始湿度被作为模型的初始条件进行计算)。
(6)利用CFD软件导出展柜内示踪气体二氧化碳质量分数随时间变化的结果，在分析软件中利用二氧化碳质量分数对时间t作图，用指数衰减方程进行拟合，当判定系数R2≥0.99时，计算得到的相应参数R0即为该展柜的换气率。
以下通过一具体实施例对本发明提供的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法进行示例说明。
本实施例采用一桌面展柜结构的文物展柜，其长、宽、高分别是1.2m、0.6m、0.355m，底部的四周为金属边框，底部中间为木板，金属边框与木板间有2mm的缝隙，该缝隙连通柜内与外界环境，因此该缝隙即为文物展柜与外界连通部分(也称为连通处)；文物展柜除底面外，其余五面均为透明有机玻璃制成，透明有机玻璃的厚度为0.012m。根据上述尺寸、材质，建立了该文物展柜的三维数模，如图2所示。
在文物展柜的五面玻璃罩外、展柜缝隙处(玻璃罩外与展柜缝隙处均属于展柜外部)及展柜内部各布设无线温湿度监测终端(由温湿度传感器组成)，用以记录24小时内展柜内外的温度及湿度的变化，以上温、湿度数据每15分钟采集一次并保存。在测量玻璃罩外温湿度时，可将温湿度传感器置于玻璃罩外表面；在测量展柜缝隙处温湿度时，可将温湿度传感器置于玻璃罩外并靠近缝隙位置。
将采集到的五面玻璃罩外的温度数据使用UDF(User Define Function)进行编译，导入CFD软件中作为玻璃罩的温度边界条件；将采集到的展柜缝隙处的温度与湿度数据使用UDF进行编译，并导入CFD软件中作为压力出口边界(Pressure-outlet)的温度以及混合气体中水蒸气的组分浓度边界条件。模型计算采用标准k-ε湍流模型进行瞬态求解，压力出口边界(Pressure-outlet)的总压(Total Pressure)为0。
在模型中输出柜内温湿度传感器位置处的温度结果，模型计算温度随时间变化的结果，与柜内的测量值进行对比，如图3所示，平均偏差为0.12℃，最大偏差为0.29℃，二者均小于传感器的测量误差0.3℃，由此认为该模型在充分考虑到展柜所处环境温度、湿度不断变化的条件下，对展柜与外界环境间的物质交换及能量交换的描述具有较好的精度。
在上述展柜模型中，引入组分输运模型(Species Transport)，同时将展柜内部的流体区域(Fluid Zone)的气体设置为混合气体，分别为二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、以及干空气(air)。将初始状态下柜内二氧化碳的质量分数设置为0.025，水蒸气的质量分数设置为0.012(实际测量的水蒸气质量分数)。将柜外空气中的二氧化碳质量分数设置为0.00048作为出口的边界条件，模型的其余参数设置均保持不变；此处的质量分数可表示相关气体的浓度；展柜模型的其他参数(包括材料的密度、导热等参数)设置均保持不变进行计算。
模型每15min输出并保存一次柜内二氧化碳的质量分数随时间变化的结果。对模型输出的二氧化碳随时间的关系进行指数衰减拟合，从而得到该展柜的换气率，结果如图4所示。
为了进一步验证数值检测方法的准确性，特采用传统二氧化碳示踪气体法对该展柜的换气率进行了测定(测定公式可见背景技术部分)，得到结果如图5所示。
数值检测方法和传统检测方法所计算出的展柜换气率的结果相似，如下表1所示，说明数值检测方法的结果具有较高的精度，即能够说明数值检测方法检测博物馆文物展柜换气率的办法可以在一定程度上替代传统的二氧化碳示踪气体法。
表1文物展柜换气率计算数值检测方法结果与实验测量结果对比
项目 展柜换气率/d<sup>-1</sup> 判定系数R<sup>2</sup>
数值实验结果 3.44 0.99205
实验测量结果 3.19 0.99489
需要指出的是，上面所描述的实施例仅是本发明实施例的一部分，而不是全部；上面所述的各种实施例，可以根据需要进行各种组合；本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味对本发明的权利要求构成限定。
本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施例的基本原理的前提下，对上述实施例中的各细节可进行各种变化；因此，本发明的范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。
对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据文物展柜的实际结构参数，搭建该文物展柜的三维物理模型；
(2)对步骤(1)中的文物展柜所处环境进行实验测试，分别在展柜外部及内部布置温湿度传感器，对柜内和柜外的环境实施连续监控，获得展柜内、外实测温湿度结果；
(3)利用编程软件对步骤(2)中获得的柜外环境温度实测结果进行编译，编译后导入CFD软件中作为模型的温度边界条件进行计算；同时利用编程软件对步骤(2)中获得的柜外环境湿度实测结果进行编译，编译后导入CFD软件中作为柜内柜外连通处的湿度边界条件进行计算，获得展柜与外界环境间的物质交换与能量交换的三维模型，并输出柜内温度随时间变化的结果；
(4)依据步骤(2)中所得柜内温度实测结果对步骤(3)中所得柜内温度计算结果进行标定后，输出经温度标定后的展柜与外界环境间的物质交换与能量交换的三维模型；
(5)在CFD软件中依据步骤(4)得到的校正后的三维模型，输入柜内初始二氧化碳浓度及水蒸气浓度作为模型的初始条件，输入柜外水蒸气浓度及柜外环境二氧化碳浓度作为模型的边界条件进行计算，并输出柜内二氧化碳浓度随时间变化的结果；
(6)使用数据分析软件，对步骤(5)所得柜内二氧化碳浓度随时间变化的结果作图，用指数衰减方程进行拟合，当R2≥0.99时，计算得到的相应参数R0即为该展柜的换气率。
2.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：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，隔离罩为底部开口的矩形透明玻璃框架结构，隔离罩与底座之间具有缝隙，该缝隙即为展柜与外界连通部分；所述三维物理模型设有与缝隙对应的接口。
3.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：所述CFD软件为Fluent软件。
4.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述温湿度传感器为无线传感器结构。
5.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述连续监控的实施时间为24h。
6.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述编程软件为Visual C++软件。
7.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：在步骤(4)中，当采用三维模型所计算得出的温度值与实测值之间的平均偏差及最大偏差均小于仪器的测量误差时，判定为结果吻合。
8.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：在步骤(4)中，所述三维模型的可调参数为展柜与柜外环境间的自然对流换热系数的数值。
9.根据权利要求1的一种博物馆文物展柜换气率的二氧化碳数值检测方法，其特征在于：在步骤(5)中，引入组分输运模型，同时将展柜内部的流体区域的气体设置为包括二氧化碳、水蒸气及干空气的混合气体，将初始状态下柜内二氧化碳的质量分数设置为0.025，水蒸气的质量分数根据实测湿度值设定，将柜外空气中的二氧化碳质量分数设置为0.00048作为出口的边界条件。
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