李陶然，王建峰

(中國(guó)科學(xué)院光學(xué)天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (國(guó)家天文臺(tái))，北京 100101)

興隆觀測(cè)基地2.16 m光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡于1989年投入使用，其半球型圓頂直徑23 m，高15 m，圓頂墻體有低熱容量的加氣混凝土保溫墻和對(duì)流區(qū)域[1-2]。由于2.16 m望遠(yuǎn)鏡使用的英國(guó)式赤道儀需要較大的回轉(zhuǎn)空間，因此，望遠(yuǎn)鏡的圓頂體積很大，約5 600 m3。圓頂體積過(guò)大帶來(lái)了高熱容積的問(wèn)題，僅靠少數(shù)排風(fēng)系統(tǒng)難以快速達(dá)到圓頂內(nèi)外空氣熱平衡，且由圓頂天窗進(jìn)入的自然風(fēng)會(huì)在圓頂內(nèi)部產(chǎn)生湍流現(xiàn)象。因此，望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度受到圓頂視寧度的影響。

圓頂通風(fēng)已成為大型望遠(yuǎn)鏡圓頂設(shè)計(jì)中必不可少的部分，可以有效解決圓頂視寧度問(wèn)題。通過(guò)促進(jìn)圓頂內(nèi)外空氣的水平流通達(dá)到改善圓頂視寧度的目的，從而提高望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度。在圓頂表面設(shè)置一系列的自然通風(fēng)窗口是非常有效且經(jīng)濟(jì)的通風(fēng)方法，利用自然風(fēng)帶走圓頂內(nèi)部的熱量和湍流空氣，可以快速達(dá)到熱平衡。但對(duì)已建成的圓頂進(jìn)行大范圍自然通風(fēng)窗口改造有諸多限制，需要考慮已有圓頂?shù)母脑旌褪┕l件，并根據(jù)圓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行詳細(xì)分析，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本消耗過(guò)大，且容易對(duì)望遠(yuǎn)鏡正常觀測(cè)產(chǎn)生影響。

2.16 m圓頂內(nèi)有一供主鏡鍍膜的吊裝通道，約4 m × 3 m。若將其改造為通風(fēng)口，可以與天窗開(kāi)口形成對(duì)流，大大增加通風(fēng)效率，提高望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)質(zhì)量。本文對(duì)吊裝通道改造為通風(fēng)口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件(1)ANSYS, Inc. Release Notes, 2012對(duì)通風(fēng)效果進(jìn)行分析，對(duì)比通風(fēng)口存在與否情況下的通風(fēng)效果，為2.16 m望遠(yuǎn)鏡圓頂通風(fēng)改造提供參考依據(jù)。

1 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

興隆2.16 m望遠(yuǎn)鏡吊裝通道位置如圖1。根據(jù)圓頂結(jié)構(gòu)，為吊裝通道改造進(jìn)行設(shè)計(jì)。為最小化風(fēng)道路徑，提高通風(fēng)效率，將通風(fēng)管道引入下一層后轉(zhuǎn)折90°向西側(cè)從圓頂墻體排出。根據(jù)墻體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)排風(fēng)口大小為1 m × 1 m。為提高安全性，在圓頂內(nèi)吊裝通道口處安裝防護(hù)網(wǎng)，防止跌落。安裝防護(hù)網(wǎng)前需要將吊裝通道處原有地板移開(kāi)并進(jìn)行部分改造，以便于防護(hù)網(wǎng)的固定。防護(hù)網(wǎng)為柵格結(jié)構(gòu)，既不影響通風(fēng)效果又可以保證人員安全(圖2)。

圖3為通風(fēng)管道的剖面圖。通風(fēng)管道底板為活動(dòng)底板，易于開(kāi)合。當(dāng)主鏡鍍膜時(shí)將活動(dòng)底板打開(kāi)，不影響吊裝通道功能?？砷_(kāi)合底板距離地面約3 m，不影響人員通過(guò)。兩臺(tái)可控風(fēng)速排風(fēng)機(jī)安裝在吊頂上方，可選擇同時(shí)工作并互為備份，排風(fēng)量55 000 m3/h左右(按單臺(tái)風(fēng)機(jī)每小時(shí)換風(fēng)10次計(jì)算)。

圖1 興隆2.16 m望遠(yuǎn)鏡及圓頂?shù)跹b通道

Fig.1 Xinglong 2.16-m telescope and hoisting tunnel

圖2 通風(fēng)管道及防護(hù)網(wǎng)示意圖

Fig.2 Sketch of ventilation duct and protection layer

圖3 通風(fēng)管道及活動(dòng)底板設(shè)計(jì)

Fig.3 Design of ventilation duct and openable door

2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析模型

2.1 望遠(yuǎn)鏡圓頂模型

2.16 m望遠(yuǎn)鏡圓頂總高35 m，隨動(dòng)圓頂部分高15 m、直徑23 m，天窗開(kāi)口寬度5 m。望遠(yuǎn)鏡的三維模型基于2.16 m望遠(yuǎn)鏡圖紙建立。為了減小計(jì)算機(jī)負(fù)荷及處理時(shí)間，將2.16 m望遠(yuǎn)鏡模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除對(duì)通風(fēng)效果無(wú)影響的微小部件和內(nèi)部部件。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件分析的模型分為4部分，圓頂、轉(zhuǎn)臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡鏡筒和流體域，如圖4。本文僅考慮圓頂內(nèi)部的通風(fēng)效果，因此，該模型的流體域?yàn)閳A頂?shù)膬?nèi)部空氣域。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)興隆觀測(cè)基地氣象站數(shù)據(jù)，常規(guī)觀測(cè)夜風(fēng)速一般為1～2 m/s。因此，在本文的分析中，設(shè)置環(huán)境風(fēng)速v=1 m/s，外界環(huán)境空氣從天窗進(jìn)入圓頂。排風(fēng)口位于圓頂外壁面(圖4)，設(shè)置排風(fēng)口風(fēng)速v=-15 m/s，用于模擬排風(fēng)扇(風(fēng)機(jī)風(fēng)量約55 000 m3/h，風(fēng)口面積為1 m2，由此計(jì)算風(fēng)速約為15 m/s)。本文采用基于壓力基的k-ε瞬態(tài)模型，適用于慢速不可壓縮流體[3-4]。在文[5]關(guān)于圓頂通風(fēng)的研究中，也使用了同樣的模型進(jìn)行處理。初始圓頂內(nèi)溫度設(shè)置為278 K，外界空氣溫度為273 K。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)圓頂天窗的朝向，對(duì)以下3種不同天窗與通風(fēng)口夾角的情況進(jìn)行了分析，對(duì)比無(wú)通風(fēng)口和主動(dòng)排風(fēng)的通風(fēng)效果。

圖4 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型，包括圓頂、轉(zhuǎn)臺(tái)、鏡筒和流體域

Fig.4 Simplified model in CFD, including dome,mount, tube and fluid domain

3.1 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角180°時(shí)的通風(fēng)效果分析

如圖4，在此種情況下圓頂天窗朝東，外界空氣主要從天窗開(kāi)口進(jìn)入。通過(guò)觀察圓頂內(nèi)部溫度變化得知，無(wú)通風(fēng)口時(shí)600 s左右達(dá)到溫度平衡, 主動(dòng)排風(fēng)時(shí)500 s左右達(dá)到溫度平衡。因此，以下取第500 s時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角180°時(shí)((a),(b))溫度與((c),(d))湍流強(qiáng)度分布，((a),(c))無(wú)通風(fēng)與((b),(d))主動(dòng)排風(fēng)

Fig.5 Contour maps for slit-vent angle=180°of ((a), (b))temperature and ((c), (d))turbulent intensity distribution,((a), (c))without vent and ((b), (d))with vent

圖6 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角180°時(shí)((a),(b))風(fēng)速與((c),(d))矢量分布， ((a),(c))無(wú)通風(fēng)與((b),(d))主動(dòng)排風(fēng)

Fig.6 Contour maps for slit-vent angle=180°of ((a), (b))velocity and ((c), (d))vector distribution,((a), (c))without vent and ((b), (d))with vent

通過(guò)對(duì)比分析圖5和圖6可得到以下結(jié)果：

(1)溫度：在該輸入條件下(風(fēng)速、風(fēng)向、溫度)，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)圓頂內(nèi)溫度在500 s左右與外界達(dá)到平衡，比無(wú)主動(dòng)排風(fēng)時(shí)更快達(dá)到熱平衡，有利于圓頂視寧度的快速降低。

(2)湍流強(qiáng)度：在望遠(yuǎn)鏡光路范圍內(nèi)，有無(wú)主動(dòng)排風(fēng)時(shí)的最大湍流強(qiáng)度分別為42.51%和61.35%，主動(dòng)排風(fēng)情況下減小約30%。鏡蓋邊緣為78.82%和137.39%。

(3)風(fēng)速分布和矢量：在主動(dòng)排風(fēng)作用下，主鏡遮光筒上方的風(fēng)速為1.21 m/s，而無(wú)排風(fēng)時(shí)為1.22 m/s。在望遠(yuǎn)鏡迎風(fēng)面處，有無(wú)主動(dòng)排風(fēng)時(shí)分別為1.31 m/s和3.20 m/s，圓頂內(nèi)最大風(fēng)速分別為3.90 m/s和7.00 m/s。

(4)由風(fēng)速矢量圖可以清晰地看出，圓頂內(nèi)的氣流流動(dòng)方向。在開(kāi)啟主動(dòng)排風(fēng)后，望遠(yuǎn)鏡周圍的風(fēng)向朝吊裝口流動(dòng)，被排風(fēng)機(jī)排出圓頂。無(wú)主動(dòng)排風(fēng)情況下，空氣經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡后在背風(fēng)面產(chǎn)生渦流，仍然從天窗流出，望遠(yuǎn)鏡周圍風(fēng)速較大(風(fēng)速矢量圖顏色較深)。

3.2 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角90°時(shí)的通風(fēng)效果分析

如圖7，當(dāng)天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角為90°時(shí)，天窗朝北或朝南(以下按朝北情況進(jìn)行分析)，外界空氣仍然從天窗進(jìn)入，與通風(fēng)口的距離減少，仿真參數(shù)同3.1節(jié)。通過(guò)觀察圓頂內(nèi)部溫度變化得知，無(wú)通風(fēng)口時(shí)360 s左右達(dá)到溫度平衡, 主動(dòng)排風(fēng)時(shí)400 s左右達(dá)到溫度平衡。因此，以下取第360 s時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖7 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角90°時(shí)，風(fēng)向(箭頭方向)、天窗與通風(fēng)口位置示意圖

Fig.7 Sketch of wind direction (arrow), slit and vent at slit-vent angle=90°

圖8 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角90°時(shí)((a),(b))溫度與((c),(d))湍流強(qiáng)度分布， ((a),(c))無(wú)通風(fēng)與((b),(d))主動(dòng)排風(fēng)

Fig.8 Contour maps for slit-vent angle=90°of ((a), (b))temperature and ((c), (d))turbulent intensity distribution,((a), (c))without vent and ((b), (d))with vent

圖9 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角90°時(shí)((a),(b))風(fēng)速與((c),(d))矢量分布， ((a),(c))無(wú)通風(fēng)與((b),(d))主動(dòng)排風(fēng)

Fig.9 Contour maps for slit-vent angle=90°of ((a), (b))velocity and ((c), (d))vector distribution,((a), (c))without vent and ((b), (d))with vent

通過(guò)對(duì)比分析圖8和圖9可得到以下結(jié)果：

(1)溫度：在該輸入條件下，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)圓頂內(nèi)溫度在400 s左右與外界達(dá)到平衡，比無(wú)主動(dòng)排風(fēng)情況(360 s)稍慢。在圓頂內(nèi)主動(dòng)排風(fēng)通道的另一側(cè)(圖8(b)中圓頂右上方)降溫較慢。這是因?yàn)橥饨绲蜏乜諝膺M(jìn)入圓頂后從左側(cè)排風(fēng)通道排出，沒(méi)有吹到圓頂右側(cè)。

(2)湍流強(qiáng)度：在望遠(yuǎn)鏡光路范圍內(nèi)，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)最大湍流強(qiáng)度為15.89%，圓頂內(nèi)平均湍流強(qiáng)度為3.76%。無(wú)通風(fēng)時(shí)，主鏡遮光筒上方最大湍流強(qiáng)度為58.62%，圓頂內(nèi)平均湍流強(qiáng)度為9.17%。相比于無(wú)通風(fēng)情況，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)湍流強(qiáng)度更低且分布更均勻。

(3)風(fēng)速分布：在主動(dòng)排風(fēng)作用下，主鏡遮光筒上方的風(fēng)速為0.75 m/s左右，無(wú)排風(fēng)時(shí)為0.88 m/s。圓頂內(nèi)最大風(fēng)速分別為4.25 m/s和2.24 m/s(位于鏡蓋附近)。

(4)風(fēng)速矢量：在開(kāi)啟主動(dòng)排風(fēng)后，通風(fēng)口相對(duì)的一側(cè)風(fēng)速較小。無(wú)通風(fēng)情況下，主鏡蓋附近風(fēng)速較大，在圓頂內(nèi)形成多個(gè)渦流(圖9(c))。

3.3 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角0°時(shí)的通風(fēng)效果分析

如圖10，當(dāng)天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角為0°，圓頂朝西，仿真參數(shù)同3.1節(jié)。通過(guò)觀察圓頂內(nèi)部溫度變化得知，無(wú)通風(fēng)口時(shí)200 s左右達(dá)到溫度平衡, 主動(dòng)排風(fēng)時(shí)250 s左右達(dá)到溫度平衡。因此，以下取第200 s時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖10 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角0°時(shí)，風(fēng)向(箭頭方向)、天窗與通風(fēng)口位置示意圖

Fig.10 Sketch of wind direction (arrow), slit and vent at slit-vent angle=0°

圖11 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角0°時(shí)((a),(b))溫度與((c),(d))湍流強(qiáng)度分布， ((a),(c))無(wú)通風(fēng)與((b),(d))主動(dòng)排風(fēng)

Fig.11 Contour maps for slit-vent angle=0°of ((a), (b))temperature and ((c), (d))turbulent intensity distribution,((a), (c))without vent and ((b), (d))with vent

圖12 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角0°時(shí)((a),(b))風(fēng)速與((c),(d))矢量分布， ((a),(c))無(wú)通風(fēng)與((b),(d))主動(dòng)排風(fēng)

Fig.12 Contour maps for slit-vent angle=0°of ((a), (b))velocity and ((c), (d))vector distribution,((a), (c))without vent and ((b), (d))with vent

通過(guò)對(duì)比分析圖11和圖12可得到以下結(jié)果：

(1)溫度：在該輸入條件下，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)圓頂內(nèi)溫度在250 s左右與外界達(dá)到平衡，比無(wú)主動(dòng)排風(fēng)情況(200 s)稍慢。與3.2節(jié)結(jié)果類似，圓頂內(nèi)主動(dòng)排風(fēng)通道相對(duì)一側(cè)上方(圖11(b)中圓頂天窗右側(cè))溫度下降較慢。同樣是由于外界低溫空氣進(jìn)入圓頂后僅有少量吹到圓頂右側(cè)。

(2)湍流強(qiáng)度：湍流強(qiáng)度分布圖對(duì)比很明顯。在望遠(yuǎn)鏡光路范圍內(nèi)，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)最大湍流強(qiáng)度為10.49%，圓頂內(nèi)平均湍流強(qiáng)度為3.43%。無(wú)通風(fēng)時(shí)，主鏡遮光筒上方最大湍流強(qiáng)度為68.24%，圓頂內(nèi)平均湍流強(qiáng)度為7.89%。相比于無(wú)通風(fēng)情況，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)湍流強(qiáng)度分布改善很大。

(3)風(fēng)速分布：在主動(dòng)排風(fēng)作用下，主鏡遮光筒上方的風(fēng)速為0.67 m/s左右，無(wú)排風(fēng)時(shí)為0.92 m/s。圓頂內(nèi)最大風(fēng)速分別為6.25 m/s和1.87 m/s(位于鏡蓋附近)。

(4)風(fēng)速矢量：在開(kāi)啟主動(dòng)排風(fēng)后，圓頂內(nèi)風(fēng)速矢量相對(duì)平穩(wěn)。無(wú)通風(fēng)情況下主鏡上方風(fēng)速較大，在圓頂內(nèi)形成多個(gè)渦流。

3.4 排風(fēng)機(jī)風(fēng)量影響分析

當(dāng)排風(fēng)機(jī)風(fēng)量發(fā)生變化時(shí)，勢(shì)必造成圓頂內(nèi)湍流情況的改變。因此，對(duì)不同風(fēng)量情況進(jìn)行分析有助于風(fēng)機(jī)選型，仿真參數(shù)同3.1節(jié)，天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角為0°，圓頂朝西。設(shè)置出風(fēng)口風(fēng)速為9 m/s，每小時(shí)換氣約6次，比前文設(shè)置的風(fēng)速略低。在此情況下，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)560 s左右達(dá)到溫度平衡。為了便于對(duì)比，仍然取第500 s時(shí)刻進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)比分析圖5、圖6(大風(fēng)量風(fēng)機(jī))和圖13，可得到以下結(jié)果：

(1)溫度：在該輸入條件下，主動(dòng)排風(fēng)時(shí)圓頂內(nèi)溫度在560 s左右與外界達(dá)到平衡，比無(wú)主動(dòng)排風(fēng)情況(600 s)更快達(dá)到熱平衡，但由于排風(fēng)風(fēng)速降低，平衡時(shí)間有所提高。

(2)湍流強(qiáng)度：在主鏡遮光筒上方最大湍流強(qiáng)度為32.80%，相比于無(wú)主動(dòng)排風(fēng)(61.35%)和大風(fēng)量情況(42.51%)均有降低。圓頂內(nèi)平均湍流強(qiáng)度為12.04%。

(3)風(fēng)速分布：主鏡遮光筒上方的風(fēng)速為1.31 m/s，而無(wú)排風(fēng)時(shí)為1.22 m/s。在望遠(yuǎn)鏡迎風(fēng)面處，有無(wú)主動(dòng)排風(fēng)時(shí)分別為1.41 m/s和3.20 m/s，圓頂內(nèi)最大風(fēng)速為3.85 m/s。相比于大風(fēng)量風(fēng)機(jī)(3.1節(jié))，風(fēng)速分布變化較小。

(4)在使用小風(fēng)量風(fēng)機(jī)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡周圍風(fēng)速變小(風(fēng)速矢量圖顏色相對(duì)于大風(fēng)量風(fēng)機(jī)情況較淺)，圓頂內(nèi)渦流仍然存在。

結(jié)合以上分析可知，使用小風(fēng)量排風(fēng)機(jī)有助于溫度和湍流強(qiáng)度的降低，且湍流強(qiáng)度比大風(fēng)量排風(fēng)機(jī)的情況更小，望遠(yuǎn)鏡附近風(fēng)速也略有減小。因此，在滿足換氣頻率的條件下，可以選擇風(fēng)量最小的排風(fēng)機(jī)，既保證換氣和熱平衡速率，又可以降低圓頂內(nèi)的湍流強(qiáng)度和風(fēng)速。

圖13 天窗開(kāi)口與通風(fēng)口夾角0°，小風(fēng)量風(fēng)機(jī)情況下的(a)溫度、(b)風(fēng)速、(c)湍流強(qiáng)度與(d)矢量分布

Fig.13 Contour maps for slit-vent angle=0°of (a) temperature, (b) velocity, (c) turbulent intensity and (d) velocity vectors distributions, with low rate exhaust fan

4 結(jié)論與展望

本文針對(duì)興隆2.16 m望遠(yuǎn)鏡圓頂視寧度提出一種改善方法，將吊裝通道改造為通風(fēng)管道，并為2.16 m望遠(yuǎn)鏡建模分析通風(fēng)效果。分析結(jié)果表明，將圓頂?shù)跹b通道改造為通風(fēng)口可以提高圓頂內(nèi)外熱平衡速率，使圓頂內(nèi)空氣更穩(wěn)定，從而降低圓頂視寧度的影響，具體如下：

(1)將圓頂?shù)跹b通道改造成通風(fēng)口后，在天窗朝東的情況下可以有效提高降溫速度，快速達(dá)到圓頂內(nèi)外熱平衡。同時(shí)，降低了湍流強(qiáng)度和風(fēng)速，有利于圓頂視寧度的改善。

(2)當(dāng)天窗朝北、朝南或朝西時(shí)，由于外界冷空氣會(huì)從西側(cè)的通風(fēng)口排出，相對(duì)的，圓頂?shù)臇|側(cè)可能降溫較慢，但此時(shí)圓頂內(nèi)和望遠(yuǎn)鏡附近的湍流強(qiáng)度、風(fēng)速都得到較大改善。

(3)增大排風(fēng)機(jī)功率可以提高換熱速率，但勢(shì)必會(huì)增加預(yù)算以及耗電量。

(4)在滿足換氣頻率的條件下，選用風(fēng)量最小的排風(fēng)機(jī)。

(5)當(dāng)溫度達(dá)到平衡后，湍流強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)也趨于穩(wěn)定，此時(shí)可關(guān)閉通風(fēng)口。

除了關(guān)于圓頂通風(fēng)的研究外，興隆基地運(yùn)行團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了多項(xiàng)對(duì)2.16 m望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量和效率提升的研究：開(kāi)展快反鏡(Tip/Tilt)系統(tǒng)研制提高能量集中度、進(jìn)行主鏡室制冷降低主鏡視寧度等等。結(jié)合圓頂通風(fēng)的研究，為2.16 m望遠(yuǎn)鏡圓頂通風(fēng)改造提供參考依據(jù)，望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量和效率可以得到進(jìn)一步改善，全面提升2.16 m望遠(yuǎn)鏡的科研價(jià)值。