地基太阳望远镜圆顶性能分析及机架热控技术研究

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1、密级:博士学位论文地基太阳望远镜圆顶性能分析及机架热控技术研究作者姓名：潘年指导教师：马文礼研究员中国科学院光电技术研究所梁伟副研究员中国科学院光电技术研究所学位类别：工学博士学科专业：测试计量技术及仪器研究所：中国科学院光电技术研究所2015年3月TheresearchofgroundbasedsolartelescopedomeperformanceandmechanicalstructurethermalcontroltechnologyByPanNianADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpar

2、tialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofEnginerringTheInstituteofOpticsandElectronicstheChineseAcademyofScienceMarch,2015II致谢致谢五年的硕博连读，我既经历过初涉课题的迷茫，课题毫无进展时的无助，又经历过idea被同行专家认同时的喜悦。在即将毕业之际，首先向我的恩师马文礼研究员和梁伟副研究员表示最诚挚的谢意。感谢他们在我这五年的课题开展期间对学习和生活上给予的指导和帮助，他们扎实的理论功底、严谨的治学态度和丰富的科研经验让我避免了很多弯路，是我

3、课题能在规定的时间内顺利的关键。感谢蒋平研究员和黄金龙副研究员对我学习和工作中的关心和指导。感谢何凯、黄龙、赵波、徐伟伟、樊越、严丛林、王磊、汪旋、李雨希、常九健等“薪传”办公室的所有师兄弟们在我的学习和生活中的帮助和关心，感谢大家营造的良好学习氛围和互帮互助的科研环境。感谢贾丹、李晓燕、程峰、张止戈、庄富强、赵仁杰、廖靖宇等所有光机组的职工对我学习和工作中的帮助。感谢研究生部的廖老师、胡老师、朱文师弟在我学习和生活中的帮助和关心。感谢我的母亲和姐姐，她们的支持、鼓励和关心是我解决课题中困难的动力泉源，是我顺利完成学业的坚强后盾。特别感谢我的妻子李丹，感谢她对我的学习的支持、加班的理解、苦

4、恼时的鼓励和安慰及在生活中的关爱，她是我能全力以赴投身课题的精神支柱。潘年2015年3月摘要摘要为了研究太阳耀斑、日冕物质抛射、质子事件等太阳活动的动力学起源并验证现有的太阳活动预测的物理模型，要求地基太阳望远镜具备卓越的光学性能和机械性能。然而，望远镜作为一个复杂的测量系统，各个环节的波动都会引起测量误差，影响其观测性能。为此，除了在设计、制造、安装中制定完备的方案外，还必须有一个性能良好的圆顶为其提供稳定的观测环境，所以开展地基太阳望远镜圆顶设计及性能分析，为望远镜营造更好的观测条件，对于太阳活动规律的准确掌握具有十分重要的意义。以往地基望远镜圆顶的选型和性能研究只是通过对比圆顶内部空

5、气的压降、圆顶引起的“提升效应”和圆顶内部空气流动时间等流体动力学参数，尽管也获得了很多有价值的结论，但是随着高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率的“三高”观测要求的提出，对圆顶的要求将更加严格和苛刻，因此仅仅单一的分析流体动力学参数，所得结论难免具有很大的片面性。针对这些分析的不足，本文提出了一种基于CFX的圆顶光学性能的评价方法，即通过CFX求取影响光波传输质量的空气折射率脉动，并计算出目标光波通过圆顶环境空气后光强和相位的变化，得到圆顶对望远镜成像质量的影响。首先根据气动光学基本原理确定了以圆顶环境空气的温度、压强和速度等影响光波传输质量的物理量作为圆顶光学性能分析的评价参数。通

6、过不同圆顶形式的室内空气温度热网络建模，证明了敞开式圆顶具有保证圆顶内外空气温差低于2℃的优越性，圆顶形式得到了初步确定。利用基于有限体积法的CFX获得了敞开式圆顶环境空气的压强和速度分布；其次在详细讨论了湍流大气中光波的传输规律后，利用多层相位屏算法实现了光波在湍流大气中传输，为求解目标光波通过圆顶环境空气后光强和相位的变化提供了基础；接着对3:200缩比的敞开式圆顶模型开展了风洞试验，相同的条件下，空气速度的数值仿真结果与风洞试验之间偏差小于20%，望远镜主镜面的风压（总压）数值仿真结果与风洞试验之间的偏差小于5%，验证了数值模拟结果的准确性，为直接采用CFX的计算结果求取目标光波通过

7、圆顶环境空气后光强和相位的变化提供了关键依据；然后利用不同来流速度和攻角下CFX的计算结果和多层相位屏算法获得了敞开式圆顶对目标光波传输的影响，针对在相同的来流速度下背风观测，目标的成像质量越差，来流速度越大，目标的成像质量越差的特性，设计了一款半透明式环形垂直挡风板，挡风板的间隔是离望远镜距离的1/45，通过风洞试验和对比有无挡风板前后目标光波圆顶环境空气后观测屏上的光强和相摘要位的分布，证实了挡风板具有降低风速的能力