太阳望远镜主镜温控流场整流构型及方法

本发明公布了一种太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型，属于天文望远镜，具体涉及到计算流体动力学、精密机械、传热学。

背景技术：

1、太阳望远镜在观测过程中，主镜持续暴露在阳光下易产生很高的热功率，主镜温升会加热周围空气，引起空气湍流。此外，其热量积累会引起主镜的热变形，影响望远镜反射面面形精度。因此必须要对太阳望远镜的主镜采取稳定可靠的温度控制措施。

2、世界上现有的大型太阳望远镜普遍采用主镜背面冷却空气换热方法，这种技术可以较为有效地控制太阳望远镜的主镜温度。但其在气体流动稳定性、流动效率、传热能力以及振动噪音方面容易产生问题。一般大口径太阳望远镜的内流场体积都较大，气体在内流场中运动很容易形成涡流、回流、冲击、振动，大大影响了气体流动效率和换热能力，还会扰动主镜的结构稳定性。针对不同的太阳望远镜，以前并未有方法能普遍且显著地解决针对太阳望远镜温度控制系统的冷却空气流场设计和整流结构构型问题，因此有必要发明一种大口径太阳望远镜适用的稳妥高效的主镜温控系统的流场整流构型。

3、本发明是基于专利(申请号为2022117265606)做出的改进方案，特别地针对性地设置了主镜温控流场整流构型，使太阳望远镜的主镜室的气体流动更具稳定性、流动效率提高、加快换热速率以及降低振动噪音。

技术实现思路

1、为了保证大口径太阳望远镜的主镜温控系统流场进行稳定可靠地输送空气，提升传热能力、流动效率，保证望远镜的温度控制系统的流场稳定高效工作，本发明提供一种太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型，包括：主镜室端盖、主镜室支架、冷却气体鼓风机、锥形导流罩、底部导流板、冷却空气喷嘴、主镜室外圈气孔、三圈底部空气整流板、内流场。主镜室用于安装太阳望远镜的主镜以及其他设备，主镜室上表面有冷却空气喷嘴以及主镜室外圈气孔，用于输送冷却空气至主镜处。

4、主镜室支架为圆形结构设计，太阳望远镜的主镜利用支撑结构安装在主镜室支架上，且本发明中所涉及的太阳望远镜主镜温度控制系统各部件均由主镜室支架承载；对于不同类型的太阳望远镜，其主镜室支架形状略有差异。

5、冷却气体鼓风机位于主镜室支架圆形结构的中轴线上，安放在主镜室支架下方主镜室中心管道内，持续输出温度较低、速度均匀的冷却空气，方向竖直向下。

6、锥形导流罩位于主镜室支架圆形结构的中轴线上，安装在冷却气体鼓风机的正下方，冷却气体鼓风机所吹出的冷却空气将会由锥形导流罩向四周发散进入主镜室支架内。

7、底部导流板为等腰梯形板，底部导流板共九块，每块底部导流板按照与水平面之间的倾斜角度θ拼接；底部导流板与水平面间的倾斜角度θ＝arctan2h/(d1-d2)，其中h为内流场的高度；d1为内流场外径，取值一般略大于主镜有效口径；d2为内流场内径，取值一般小于等于主镜的内孔直径(若主镜为无内孔的圆形镜面，则d2取值为0)。考虑到冷却气体的运行效率必须维持在有效范围，一般θ取值范围在15°～30°之间，以18°～25°更优。由锥形导流罩向四周发散进入主镜室支架内的冷却气体将会沿底部导流板向上运动。

8、更进一步的，冷却空气喷嘴以及主镜室外圈气孔分别位于主镜正下方和主镜下方的外侧一圈。冷却空气喷嘴可以将冷却空气输送到主镜背面，主镜室外圈气孔可以将冷却空气输送到主镜侧面，二者同时进行，共同控制主镜体与环境之间的温度差，并保证主镜表面温度分布尽可能地均匀。冷却空气喷嘴与主镜室外圈气孔可以分为多个相同单元，其数量和孔径视所用太阳望远镜的主镜口径大小而定。

9、更进一步的，主镜室支架中轴线处自上而下依次安放了冷却气体鼓风机以及锥形导流罩，锥形导流罩周围连接着装有三圈底部空气整流板的底部导流板。冷却气体鼓风机为现有器件，分为换热器部分和风扇部分，可以将气体冷却至特定温度后按照设计速度匀速吹出，由锥形导流罩向四周的底部导流板分散，流经三圈底部空气整流板后均匀地分布向上流动，去往主镜背面处进行热交换。

10、更进一步的，底部导流板由多块相同的、与水平面倾斜角15°～30°并中心对称的薄板拼接而成。每块底部导流板上都布设了三圈底部空气整流板，三圈底部空气整流板是与水平面之间倾角为60°的薄板，其中内侧第一圈底部空气整流板的高度最低，底部沿气流方向打有一排半圆形气孔；中间第二圈底部空气整流板高度稍高，且底部有一排矩形气孔，中部有一排圆形气孔；最外侧第三圈底部空气整流板高度最高，且表面无孔。其布设时应保证延长线方向分别指向主镜背面内侧、中部、外侧区域处的冷却空气喷嘴与主镜室外圈气孔入口。

11、更进一步的，主镜室支架之内、冷却气体鼓风机外侧、锥形导流罩以及底部导流板与三圈底部空气整流板上方、冷却空气喷嘴与主镜室外圈气孔下方所形成的腔体区域称为内流场。一般大口径太阳望远镜的内流场体积都较大，容易形成涡流、回流、冲击、振动，大大影响了气体流动效率和换热能力。必须保证内流场形状设计规则、各边缘平整、气体流向明确可循、气体流动效率高、对主镜背面和侧面各部分输送的气体温度稳定、流量均匀。

12、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

13、1.本发明所述方案适用于所有圆形主镜面的太阳望远镜，流场整流构型可以使主镜室内流场的冷却空气流动效率显著提升，明显减少涡流和回流，流场的流动轨迹更加清晰明确，对流体的动量和热能形成有效保护，保证其稳定高效地与太阳望远镜主镜形成换热，抑制温升，改善温度梯度、降低热变形和热致空气湍流，对太阳望远镜的设备安全和观测精度起到重要作用。

14、2.该太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型对整流板设计和尺寸考究，在保证空气稳定均匀流动、分散的同时，对气体边界层进行保护和控制，防止对主镜室各结构的冲击所带来的噪声和微振动。

15、3.该太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型设计严谨合理，可行性高，重量轻、成本低，易于加工制造；安装、维护便捷；除了必要的冷却空气鼓风机外，均采用无源固定结构设计，对主镜的温度控制稳定可靠。

16、4.该太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型的结构适应性强，不遮挡成像系统的光路，不阻碍望远镜主镜支撑系统的安装和运行，可以适用于各型不同尺寸、不同结构、不同材料的太阳望远镜主镜温度控制方案。

技术特征：

1.太阳望远镜主镜温控流场整流构型，其特征在于，包括：主镜室端盖(7)、气体回流管(8)、主镜室中心盖板(10)、主镜室支架(21)、主镜室中心管道(11)、冷却空气鼓风机(1)、环形连接件(19)、底部导流系统；

2.根据权利要求1所述的太阳望远镜主镜温控流场整流构型，其特征在于，底部导流系统包括：九块底部导流板(5)、锥形导流罩(2)、环形连接件(19)、翘沿(20)；底部导流板(5)为等腰梯形板，在每块等腰梯形板上设置三圈底部空气整流板(6)，等腰梯形板下底上设置翘沿(20)；底部导流板(5)共九块，每块底部导流板(5)按照与水平面之间的倾斜角度θ拼接；九块底部导流板(5)上底围成正九边形内接锥形导流罩(2)；锥形导流罩(2)中心呈锥形凸起状，外周呈正九边形状；底部导流板(5)的翘沿(20)与环形连接件(19)的底部固连；

3.根据权利要求1所述的太阳望远镜主镜温控流场整流构型，其特征在于，所述底部导流板(5)与水平面间的倾斜角度θ＝arctan2 h/(d1-d2)，其中h为内流场(12)的高度；d1为内流场外径；d2为内流场内径，θ取值范围在15°～30°之间，以18°～25°更优。

4.根据权利要求1所述的太阳望远镜主镜温控流场整流构型，其特征在于，所述第一圈底部空气整流板(14)高度最低，底部沿气流方向打有一排整流板半圆形孔(13)；第二圈底部空气整流板(16)高度稍高，且底部有一排整流板矩形孔(15)，中部有一排整流板圆形孔(17)；第三圈底部空气整流板(18)高度最高，且表面无孔；三圈底部空气整流板(6)与水平面之间的倾角为60°，其布设时应保证第一圈底部空气整流板(14)及第二圈底部空气整流板(16)的延长线方向分别指向主镜室支架(21)背面内侧和中部对应的冷却空气喷嘴(4)的气孔入口；以及保证第三圈底部空气整流板(18)的延长线指向的主镜室支架(21)背面外侧区域主镜室外圈气孔(3)入口。

5.根据权利要求1所述的太阳望远镜主镜温控流场整流构型，其特征在于，考虑到边界层的受迫分离会造成气流的提前破碎，加据向湍流的转捩，因此需要对边界层进行保护和控制，结合气体的流动效率，η1＝0.95(1-10ra/da)；η2＝0.95-0.95(lb2·c+10πrb2)/db·hb；η1表示：气体经过第一圈底部空气整流板的流动效率；η2表示：气体经过两个圈层底部空气整流板的流动效率；空气流的雷诺数以及冷却空气输送边界层厚度δ≥9.1mm，确定了孔径的半径ra、rb以及矩形孔的高度lb·c的取值范围：在设计时应当保证整流板半圆形孔(13)的半径5mm≤ra≤10mm，整流板矩形孔15的高度10mm≤lb·c≤20mm，整流板圆形孔(17)的半径5mm≤rb≤10mm；

6.根据权利要求1所述的太阳望远镜主镜温控流场整流构型，其特征在于，主镜体(9)的下方每5％～8％的面积下必须布设至少一根冷却空气喷嘴(4)；按主镜室支架(21)外圆周周长至少10％的长度距离布设一个主镜室外圈气孔(3)；主镜室外圈气孔(3)的布设需避开主镜体(9)的支撑机构和主镜室支架(21)背面的矩形气道进行。

7.用于太阳望远镜主镜温控流场整流构型的主镜温控流场整流方法，其特征在于：冷却气体鼓风机(1)分为换热器部分和风扇部分，冷却气体鼓风机(1)将气体冷却至特定温度后按照设计速度匀速吹出；吹出的冷却气体由锥形导流罩(2)向四周的底部导流板(5)分散，流经三圈底部空气整流板(6)后均匀地分为多束向上流动，到达主镜室支架(21)后进入主镜室外圈气孔(3)以及冷却空气喷嘴(4)，去往主镜背面和侧面处进行热交换，降低主镜体的温度并形成稳定均匀的温度分布场。

8.根据权利要求7所述的太阳望远镜主镜温控流场整流方法，其特征在于，还包括：到达太阳望远镜主镜并完成换热后的气体一部分向内流动，通过腰型气孔层直接回到主镜室中心管道(11)内，另一部分向外流动，经由气体回流管(8)和矩形气道后，通过矩形气孔层回到主镜室中心管道(11)内，并再次由冷却空气鼓风机(1)降温吹出，形成循环流动的工作方式。

技术总结本发明太阳望远镜主镜温控系统的流场整流构型，属于天文望远镜技术领域，包括：冷却气体鼓风机、锥形导流罩、主镜室外圈气孔、主镜背面的冷却空气喷嘴、底部空气整流板。本发明中是太阳望远镜主镜温度控制系统的一部分。主镜位于最上方，冷却空气喷嘴位于主镜背面，利用冷却气体射流冲击进行主镜降温。所述的空气整流结构，均是为了在流场内形成多束高效、均匀、稳定的气流。本发明适用于所有圆形主镜面的太阳望远镜，能有效减少现有望远镜主镜温度控制系统冷却空气内流场分布不均、振动明显、有显著局部湍流等问题；最终使主镜表面温度场更加均匀，主镜体热变形更小，提升主镜温度控制系统的工作效率、改善太阳望远镜的主镜观测成像质量。技术研发人员：顾伯忠,喻进知,赵特,乐中宇,姜翔,翟刘彬受保护的技术使用者：中国科学院南京天文光学技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/5/16