興隆2.16米望遠鏡圓頂?shù)跹b通道通風研究*

李陶然，王建峰

(中國科學院光學天文重點實驗室 (國家天文臺)，北京 100101)

興隆觀測基地2.16 m光學天文望遠鏡于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流區(qū)域[1-2]。由于2.16 m望遠鏡使用的英國式赤道儀需要較大的回轉空間，因此，望遠鏡的圓頂體積很大，約5 600 m3。圓頂體積過大帶來了高熱容積的問題，僅靠少數(shù)排風系統(tǒng)難以快速達到圓頂內外空氣熱平衡，且由圓頂天窗進入的自然風會在圓頂內部產生湍流現(xiàn)象。因此，望遠鏡的觀測精度受到圓頂視寧度的影響。

圓頂通風已成為大型望遠鏡圓頂設計中必不可少的部分，可以有效解決圓頂視寧度問題。通過促進圓頂內外空氣的水平流通達到改善圓頂視寧度的目的，從而提高望遠鏡的觀測精度。在圓頂表面設置一系列的自然通風窗口是非常有效且經濟的通風方法，利用自然風帶走圓頂內部的熱量和湍流空氣，可以快速達到熱平衡。但對已建成的圓頂進行大范圍自然通風窗口改造有諸多限制，需要考慮已有圓頂?shù)母脑旌褪┕l件，并根據圓頂?shù)慕Y構強度進行詳細分析，時間和經濟成本消耗過大，且容易對望遠鏡正常觀測產生影響。

2.16 m圓頂內有一供主鏡鍍膜的吊裝通道，約4 m × 3 m。若將其改造為通風口，可以與天窗開口形成對流，大大增加通風效率，提高望遠鏡的觀測質量。本文對吊裝通道改造為通風口進行了設計，并使用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件(1)ANSYS, Inc. Release Notes, 2012對通風效果進行分析，對比通風口存在與否情況下的通風效果，為2.16 m望遠鏡圓頂通風改造提供參考依據。

1 通風方案設計

興隆2.16 m望遠鏡吊裝通道位置如圖1。根據圓頂結構，為吊裝通道改造進行設計。為最小化風道路徑，提高通風效率，將通風管道引入下一層后轉折90°向西側從圓頂墻體排出。根據墻體結構，設計排風口大小為1 m × 1 m。為提高安全性，在圓頂內吊裝通道口處安裝防護網，防止跌落。安裝防護網前需要將吊裝通道處原有地板移開并進行部分改造，以便于防護網的固定。防護網為柵格結構，既不影響通風效果又可以保證人員安全(圖2)。

圖3為通風管道的剖面圖。通風管道底板為活動底板，易于開合。當主鏡鍍膜時將活動底板打開，不影響吊裝通道功能?？砷_合底板距離地面約3 m，不影響人員通過。兩臺可控風速排風機安裝在吊頂上方，可選擇同時工作并互為備份，排風量55 000 m3/h左右(按單臺風機每小時換風10次計算)。

圖1 興隆2.16 m望遠鏡及圓頂?shù)跹b通道

Fig.1 Xinglong 2.16-m telescope and hoisting tunnel

圖2 通風管道及防護網示意圖

Fig.2 Sketch of ventilation duct and protection layer

圖3 通風管道及活動底板設計

Fig.3 Design of ventilation duct and openable door

2 計算流體動力學分析模型

2.1 望遠鏡圓頂模型

2.16 m望遠鏡圓頂總高35 m，隨動圓頂部分高15 m、直徑23 m，天窗開口寬度5 m。望遠鏡的三維模型基于2.16 m望遠鏡圖紙建立。為了減小計算機負荷及處理時間，將2.16 m望遠鏡模型進行簡化，去除對通風效果無影響的微小部件和內部部件。經過簡化用于計算流體動力學軟件分析的模型分為4部分，圓頂、轉臺、望遠鏡鏡筒和流體域，如圖4。本文僅考慮圓頂內部的通風效果，因此，該模型的流體域為圓頂?shù)膬炔靠諝庥颉?/p>

2.2 參數(shù)設置

根據興隆觀測基地氣象站數(shù)據，常規(guī)觀測夜風速一般為1～2 m/s。因此，在本文的分析中，設置環(huán)境風速v=1 m/s，外界環(huán)境空氣從天窗進入圓頂。排風口位于圓頂外壁面(圖4)，設置排風口風速v=-15 m/s，用于模擬排風扇(風機風量約55 000 m3/h，風口面積為1 m2，由此計算風速約為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]關于圓頂通風的研究中，也使用了同樣的模型進行處理。初始圓頂內溫度設置為278 K，外界空氣溫度為273 K。

3 計算結果分析

根據圓頂天窗的朝向，對以下3種不同天窗與通風口夾角的情況進行了分析，對比無通風口和主動排風的通風效果。

圖4 計算流體動力學簡化模型，包括圓頂、轉臺、鏡筒和流體域

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

3.1 天窗開口與通風口夾角180°時的通風效果分析

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口進入。通過觀察圓頂內部溫度變化得知，無通風口時600 s左右達到溫度平衡, 主動排風時500 s左右達到溫度平衡。因此，以下取第500 s時刻的數(shù)據進行分析。

圖5 天窗開口與通風口夾角180°時((a),(b))溫度與((c),(d))湍流強度分布，((a),(c))無通風與((b),(d))主動排風

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 天窗開口與通風口夾角180°時((a),(b))風速與((c),(d))矢量分布， ((a),(c))無通風與((b),(d))主動排風

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

通過對比分析圖5和圖6可得到以下結果：

(1)溫度：在該輸入條件下(風速、風向、溫度)，主動排風時圓頂內溫度在500 s左右與外界達到平衡，比無主動排風時更快達到熱平衡，有利于圓頂視寧度的快速降低。

(2)湍流強度：在望遠鏡光路范圍內，有無主動排風時的最大湍流強度分別為42.51%和61.35%，主動排風情況下減小約30%。鏡蓋邊緣為78.82%和137.39%。

(3)風速分布和矢量：在主動排風作用下，主鏡遮光筒上方的風速為1.21 m/s，而無排風時為1.22 m/s。在望遠鏡迎風面處，有無主動排風時分別為1.31 m/s和3.20 m/s，圓頂內最大風速分別為3.90 m/s和7.00 m/s。

(4)由風速矢量圖可以清晰地看出，圓頂內的氣流流動方向。在開啟主動排風后，望遠鏡周圍的風向朝吊裝口流動，被排風機排出圓頂。無主動排風情況下，空氣經過望遠鏡后在背風面產生渦流，仍然從天窗流出，望遠鏡周圍風速較大(風速矢量圖顏色較深)。

3.2 天窗開口與通風口夾角90°時的通風效果分析

如圖7，當天窗開口與通風口夾角為90°時，天窗朝北或朝南(以下按朝北情況進行分析)，外界空氣仍然從天窗進入，與通風口的距離減少，仿真參數(shù)同3.1節(jié)。通過觀察圓頂內部溫度變化得知，無通風口時360 s左右達到溫度平衡, 主動排風時400 s左右達到溫度平衡。因此，以下取第360 s時刻的數(shù)據進行分析。

圖7 天窗開口與通風口夾角90°時，風向(箭頭方向)、天窗與通風口位置示意圖

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

圖8 天窗開口與通風口夾角90°時((a),(b))溫度與((c),(d))湍流強度分布， ((a),(c))無通風與((b),(d))主動排風

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 天窗開口與通風口夾角90°時((a),(b))風速與((c),(d))矢量分布， ((a),(c))無通風與((b),(d))主動排風

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

通過對比分析圖8和圖9可得到以下結果：

(1)溫度：在該輸入條件下，主動排風時圓頂內溫度在400 s左右與外界達到平衡，比無主動排風情況(360 s)稍慢。在圓頂內主動排風通道的另一側(圖8(b)中圓頂右上方)降溫較慢。這是因為外界低溫空氣進入圓頂后從左側排風通道排出，沒有吹到圓頂右側。

(2)湍流強度：在望遠鏡光路范圍內，主動排風時最大湍流強度為15.89%，圓頂內平均湍流強度為3.76%。無通風時，主鏡遮光筒上方最大湍流強度為58.62%，圓頂內平均湍流強度為9.17%。相比于無通風情況，主動排風時湍流強度更低且分布更均勻。

(3)風速分布：在主動排風作用下，主鏡遮光筒上方的風速為0.75 m/s左右，無排風時為0.88 m/s。圓頂內最大風速分別為4.25 m/s和2.24 m/s(位于鏡蓋附近)。

(4)風速矢量：在開啟主動排風后，通風口相對的一側風速較小。無通風情況下，主鏡蓋附近風速較大，在圓頂內形成多個渦流(圖9(c))。

3.3 天窗開口與通風口夾角0°時的通風效果分析

如圖10，當天窗開口與通風口夾角為0°，圓頂朝西，仿真參數(shù)同3.1節(jié)。通過觀察圓頂內部溫度變化得知，無通風口時200 s左右達到溫度平衡, 主動排風時250 s左右達到溫度平衡。因此，以下取第200 s時刻的數(shù)據進行分析。

圖10 天窗開口與通風口夾角0°時，風向(箭頭方向)、天窗與通風口位置示意圖

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

圖11 天窗開口與通風口夾角0°時((a),(b))溫度與((c),(d))湍流強度分布， ((a),(c))無通風與((b),(d))主動排風

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 天窗開口與通風口夾角0°時((a),(b))風速與((c),(d))矢量分布， ((a),(c))無通風與((b),(d))主動排風

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

通過對比分析圖11和圖12可得到以下結果：

(1)溫度：在該輸入條件下，主動排風時圓頂內溫度在250 s左右與外界達到平衡，比無主動排風情況(200 s)稍慢。與3.2節(jié)結果類似，圓頂內主動排風通道相對一側上方(圖11(b)中圓頂天窗右側)溫度下降較慢。同樣是由于外界低溫空氣進入圓頂后僅有少量吹到圓頂右側。

(2)湍流強度：湍流強度分布圖對比很明顯。在望遠鏡光路范圍內，主動排風時最大湍流強度為10.49%，圓頂內平均湍流強度為3.43%。無通風時，主鏡遮光筒上方最大湍流強度為68.24%，圓頂內平均湍流強度為7.89%。相比于無通風情況，主動排風時湍流強度分布改善很大。

(3)風速分布：在主動排風作用下，主鏡遮光筒上方的風速為0.67 m/s左右，無排風時為0.92 m/s。圓頂內最大風速分別為6.25 m/s和1.87 m/s(位于鏡蓋附近)。

(4)風速矢量：在開啟主動排風后，圓頂內風速矢量相對平穩(wěn)。無通風情況下主鏡上方風速較大，在圓頂內形成多個渦流。

3.4 排風機風量影響分析

當排風機風量發(fā)生變化時，勢必造成圓頂內湍流情況的改變。因此，對不同風量情況進行分析有助于風機選型，仿真參數(shù)同3.1節(jié)，天窗開口與通風口夾角為0°，圓頂朝西。設置出風口風速為9 m/s，每小時換氣約6次，比前文設置的風速略低。在此情況下，主動排風時560 s左右達到溫度平衡。為了便于對比，仍然取第500 s時刻進行分析。

通過對比分析圖5、圖6(大風量風機)和圖13，可得到以下結果：

(1)溫度：在該輸入條件下，主動排風時圓頂內溫度在560 s左右與外界達到平衡，比無主動排風情況(600 s)更快達到熱平衡，但由于排風風速降低，平衡時間有所提高。

(2)湍流強度：在主鏡遮光筒上方最大湍流強度為32.80%，相比于無主動排風(61.35%)和大風量情況(42.51%)均有降低。圓頂內平均湍流強度為12.04%。

(3)風速分布：主鏡遮光筒上方的風速為1.31 m/s，而無排風時為1.22 m/s。在望遠鏡迎風面處，有無主動排風時分別為1.41 m/s和3.20 m/s，圓頂內最大風速為3.85 m/s。相比于大風量風機(3.1節(jié))，風速分布變化較小。

(4)在使用小風量風機時，望遠鏡周圍風速變小(風速矢量圖顏色相對于大風量風機情況較淺)，圓頂內渦流仍然存在。

結合以上分析可知，使用小風量排風機有助于溫度和湍流強度的降低，且湍流強度比大風量排風機的情況更小，望遠鏡附近風速也略有減小。因此，在滿足換氣頻率的條件下，可以選擇風量最小的排風機，既保證換氣和熱平衡速率，又可以降低圓頂內的湍流強度和風速。

圖13 天窗開口與通風口夾角0°，小風量風機情況下的(a)溫度、(b)風速、(c)湍流強度與(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 結論與展望

本文針對興隆2.16 m望遠鏡圓頂視寧度提出一種改善方法，將吊裝通道改造為通風管道，并為2.16 m望遠鏡建模分析通風效果。分析結果表明，將圓頂?shù)跹b通道改造為通風口可以提高圓頂內外熱平衡速率，使圓頂內空氣更穩(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通道改造成通風口后，在天窗朝東的情況下可以有效提高降溫速度，快速達到圓頂內外熱平衡。同時，降低了湍流強度和風速，有利于圓頂視寧度的改善。

(2)當天窗朝北、朝南或朝西時，由于外界冷空氣會從西側的通風口排出，相對的，圓頂?shù)臇|側可能降溫較慢，但此時圓頂內和望遠鏡附近的湍流強度、風速都得到較大改善。

(3)增大排風機功率可以提高換熱速率，但勢必會增加預算以及耗電量。

(4)在滿足換氣頻率的條件下，選用風量最小的排風機。

(5)當溫度達到平衡后，湍流強度等各項參數(shù)也趨于穩(wěn)定，此時可關閉通風口。

除了關于圓頂通風的研究外，興隆基地運行團隊也進行了多項對2.16 m望遠鏡成像質量和效率提升的研究：開展快反鏡(Tip/Tilt)系統(tǒng)研制提高能量集中度、進行主鏡室制冷降低主鏡視寧度等等。結合圓頂通風的研究，為2.16 m望遠鏡圓頂通風改造提供參考依據，望遠鏡成像質量和效率可以得到進一步改善，全面提升2.16 m望遠鏡的科研價值。