太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制

1、第13卷第3期2020年6月Vol 13 No. 3Jun 2020中國(guó)&Chinese Optics枇刪U太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制張雨辰王飛翔許方宇黃善杰譚旭路文龍肖建國(guó)賈飪超羅宏Development of the inverted-cone diversion type heat-stop for solar telescopesZHANG Yu-chen. WANG Fci-xiang, XU Fang-yu. HUANG Shan-jie. TAN Xu, LU Wen-long. XIAO Jian-guoJIA Yu-chao. LUO Hong引用本文：張雨辰，

2、王飛翔，許方宇，黃善杰，譚旭，路文龍，肖建國(guó)，賈鋰超，羅宏.太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制IJI.中國(guó)光學(xué), 2020. 13(3): 586-594. doi: 103788/60.2019-0139ZHANG Yu-chen. WANG Fei-xiang. XU Fang-yut HUANG Shan-jie, TAN Xu. LU Wen-long, XIAO Jian-guo. JIA Yu-chao, LUO Hong. Development of the inverted-cone diversion type heat-stop for solar telescopes!J

3、. Chinese Optics, 2020, 13(3): 586- 594. doi: 10.3788/C0.2019-0139在線閱讀 View online: /!O.3788/C().2019-0139您可能感興趣的其他文章Ai-ticles you may be interested in人體腿部四層結(jié)構(gòu)的紅外熱成像冇限元分析Finite clement analysis of infrar<k(l thcnnal imaging for four-layers truclure of human thigh中國(guó)光學(xué).2018, 11(2): 23

4、7 hitpidZ/10.37R8/CO.20181102.0237罪制冷熱像儀內(nèi)部溫升對(duì)測(cè)汨榕度的影響修1E(Correc tion of teinprrature nuasurenient accuracy affected by internal trmpriaturc ris< in unc(M)le(l tliermal imager 中國(guó)光學(xué).2018, 11(4): 669 hii|>s:/(/10.3788/C0.20181104.0669空間引力波探測(cè)望遠(yuǎn)鏡初步設(shè)計(jì)與分析l"n*liminary design and anal

5、ysis of trlrsco|)e for space gravitational wave drier!ion中國(guó)光學(xué).201& 11(1): 131 hl tps/(k)/10.3788/C0.20181101.0131空氣導(dǎo)熱作用下Nd：Y.G晶體溫場(chǎng)特件TemjM*rature field of N<l: Y/G crystal under air heat transfer中國(guó)光學(xué).2019. 12(3): 686 hltps7/ck)/103788/0().20191203.0686大型合成孔徑琨遠(yuǎn)鏡標(biāo)準(zhǔn)化點(diǎn)源敏感性分析Nonnalized po

6、int sourc e sensitivity analysis of large sparse telesc opes中國(guó)光學(xué).2019, 12(3): 567 /10.3788/CO.20I91203.0567At J：紅外怖射恃性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)面口標(biāo)測(cè)駅Op|x)silc target measunuiuuil based on infrar<B<l radiation cliaraclerislic sysh'tn中國(guó)光學(xué).2018. 11(5): 804 httpA/10.3788/00.20181105.0804中國(guó)光學(xué)Ch

7、inese Optics文章編號(hào) 2095-1531( 2020 )03-0586-09太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制張雨辰巴王飛翔'許方宇二黃善杰I,譚旭匕路文龍4肖建國(guó)4賈狂超°,羅宏°(1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南昆明650216；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.云南師范大學(xué)云南省光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650216；4.云南北方駛宏光電有限公司.云南昆明650217 )摘要:對(duì)于大【I徑地基開(kāi)放式太陽(yáng)里遠(yuǎn)鏡熱光闌溫升將導(dǎo)致其像質(zhì)劣化 尤其是熱光闌通光孔緊挨成像光束其與環(huán) 境的溫度聶對(duì)像質(zhì)影響很大,這是中國(guó)H型太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(Chinese

8、Giant Solar Telescope. CGST) i|劃血臨的諂多間題之 一解決熱尢闌溫控問(wèn)題的昇體方法是i殳計(jì)帑體冷卻效率高fl在關(guān)鍵位宜得到進(jìn)一步強(qiáng)化的熱光闌結(jié)構(gòu)以達(dá)到溫控 均勻的丨1的 本文提出倒借導(dǎo)流式熱光闌設(shè)計(jì)方案，該方案有利尸降低通光孔位迓溫度使溫度極島點(diǎn)離開(kāi)通光孔 對(duì) 流換熱系數(shù)和光闌沿度場(chǎng)仿真結(jié)果證明此方案明顯優(yōu)前常用的方法 倒俳導(dǎo)流式熱光閩的極限溫升為3龍.優(yōu)J： GREGO的極限溫升(7 T)；實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)與仿貞溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)照結(jié)果在i吳差范鬧內(nèi) 結(jié)果證明導(dǎo)流式倒飾結(jié)構(gòu)貝冇較 好的溫控效果.關(guān) 鍵 詞:熱光闌；紅外測(cè)溫;CGST預(yù)研；導(dǎo)流式;射流沖去中圖分類號(hào):PU1.

9、21；TH691 9文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Adoi： 10 3788 CO 2019-0139Development of the inverted-cone diversion typeheat-stop for solar telescopesZHANG Yu-chen氣 WANG Fei-xiang3. XU Fang-yu1*, HUANG Shan-jie TAN Xu12,LU Wen-long4, XIAO Jian-giio4. JIA Yu-chao LUO Hong4(1. Yimuan Astrononucal Observatories. Chinese Academy of S

10、ciences. Kunming 650216, China;2. University of Chinese Academy of Sciences % Beijing 100049. China;3. Yunnan Key Laboratory of Optoelecti onic Infonnahofi Technology . Yunnan NonnalUniwrsity、Kininiing 650216, China；4. Yunnan K1RO-CHPhotonics Co. Ltd、Kunming 650217. China)* Corresponding author E-ma

11、il, xufang uy3nao. ac. cnAbstract: For large-apeilxire gioiind-based open-structure solai- telescopes, ail mcrease m heat-stop temperature will result in detenoration of image quality. In particular, heat-stop, located closely to the light-passmg收稿日 m： 2019-07-03；修訂日期:2019-08-20基金項(xiàng)目:國(guó)家門然科學(xué)菇金資助項(xiàng)0 (No

12、. 11803089. No. 11873091. No. 11673064)Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 11803089, No. 11873091, No. 11673064)第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制587hole, has a great influence on unage quality. This is one of the problems for the Clunese Giant Solar Telescope (CGST) development pl

13、an. For solving the heat-stop temperatxue control problem, the overall cooling efficiency should be high and fiirther strengthen is nnplemented at key locations to achieve xmifonn temperat- ure contid Accordmg to the above problem, an Inverted-Cone Diversion Type (ICDT) heat-stop design is proposed,

14、 wluch can reduce the temperature of the light-passing hole and make the hottest area away from the light-passmg hole. Tlie smiulation results of cooling efficiency and heat-stop temperatui-e field show that this scheme is obviously superior to its predecessor. The temperatuie of ICDTrs heat-stop is

15、 up to 3above ambient, which is better than GREGO rs temperatuie difference of 7 Tk The reseaich team also earned out the heat-stop temperature field measurement expeiiuient and venfied the accuracy of the temper- atxue field simulation's results showing that ICDT heat-stop design has good tempe

16、ratme contiol capability.Key words: heat-stop； infrared temperature measurement； CGST pre-research； diversion type； jet impact第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制#第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制5891引言太陽(yáng)物理學(xué)理論的發(fā)展與驗(yàn)證需要高質(zhì)就觀 測(cè)數(shù)據(jù)的支撐。為了獲得更好的規(guī)測(cè)數(shù)據(jù)中國(guó) 太陽(yáng)物理學(xué)界正策劃建設(shè)F代大型地基太陽(yáng)望 遠(yuǎn)鏡.即CGST計(jì)劃叭 現(xiàn)代望遠(yuǎn)鏡I徑的不斷 増大主詭的聚比能力也越來(lái)越強(qiáng)為了減輕后端 光學(xué)系統(tǒng)的熱HW力需要

17、提前控制或處理掉大口 徑太陽(yáng)琨遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)外能就現(xiàn)代大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn) 鏡多采用格卑.高利結(jié)構(gòu)在主鏡Ml和剛鏡M2 之間的焦點(diǎn)F1處安裝視場(chǎng)光闌（也稱為熱光闌）, 熱光闌的作用是隔描視場(chǎng)外光線，對(duì)視場(chǎng)外的光 線進(jìn)行反射或吸收使其不再繼續(xù)傳播。熱光闌位于望遠(yuǎn)鏡焦面上僅允許視場(chǎng)內(nèi)光 線通過(guò)梵承受的熱載荷很高產(chǎn)牛的熱致湍流效 應(yīng)也非常明顯 此外由于其與像面互為共馳關(guān) 系視場(chǎng)光闌處產(chǎn)牛的湍流會(huì)導(dǎo)致像面抖動(dòng)、離 焦、像質(zhì)下降等悄況熱光闌由此成為大口徑太 陽(yáng)里遠(yuǎn)鏡熱控的關(guān)鍵部件。為了抑制熱比闌衣面 熱致湍流的產(chǎn)牛，解決熱光闌處的視寧度問(wèn)題L1 前冇兩種方案：（1）真空望遠(yuǎn)鏡方案，在真空條件 下抑制熱致湍流的產(chǎn)牛降

18、低熱光闌溫控要求。 但望遠(yuǎn)鏡越大村窗口徑也越大.武承受的大氣斥 力也越大?？紤]到大口徑封窗的制造難度以及封 窗對(duì)紅外波段的截止.H前最大口徑的太陽(yáng)即遠(yuǎn) 鏡是NVST,其有效口徑為980mm耳一（2）望遠(yuǎn)鏡 采用敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)敞開(kāi)方案需要仔細(xì)i殳汁熱光闌 結(jié)構(gòu)控制其溫升保護(hù)像質(zhì)。熱光闌吸熱升溫后將通過(guò)H然對(duì)流方式將熱 就傳遞給附近空氣形成湍流中國(guó)科學(xué)院成都 光電技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱成都光電所）的劉洋毅 等人仿真分析了熱致湍流對(duì)成像光束波面的影 響'結(jié)果顯示光闌與空氣溫差越大,熱湍流對(duì)成 像光束波面產(chǎn)t的不利影響越嚴(yán)朿、影響范圍越 廣。顯然湍流強(qiáng)弱不僅與溫差相關(guān)，更與距離相 關(guān)茨離熱源越近的空氣溫

19、度波動(dòng)越大熱致湍 流越明顯成像光線在穿過(guò)該區(qū)域時(shí)，波前會(huì)受到 擾導(dǎo)致像質(zhì)劣化 所以熱光闌溫控追求的冃 標(biāo)是與大氣溫弟小極溫區(qū)域遠(yuǎn)離通光孔。根據(jù) 光闌對(duì)視場(chǎng)外光線反射方向的不同，熱比闌多町 分為圓錐式與平板式圓錐式光闌具冇圓對(duì)稱結(jié) 構(gòu)將視場(chǎng)外光線向四周反射.一般需i殳世外圍吸 收體來(lái)控制這部分光線;平板式光闌一般將視場(chǎng) 外光線按設(shè)定方向反射通常不需耍外尉吸收 體根據(jù)熱光闌內(nèi)部冷卻方式的不同，熱光闌乂 町以分為射流沖擊類和導(dǎo)流類。射流沖擊熱光闌是目前大多數(shù)國(guó)內(nèi)外開(kāi)放式 大口徑太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡所采用的形式，如矣國(guó)NST熱 光闌、美國(guó)DKIST（原ATST）熱光闌、歐洲 EST熱光闌、國(guó)內(nèi)成都光電所為CLS

20、T設(shè)計(jì)的熱 光康和國(guó)家天文臺(tái)為AIMS設(shè)計(jì)的熱光闌，在這 種換熱方式中液體在斥差作用卜通過(guò)一個(gè)圓形 或窄縫形噴口噴射到被冷卻的表面上,從而使直 接受到?jīng)_擊的區(qū)域產(chǎn)牛很強(qiáng)的換熱效果為了使 光闌冇更大的區(qū)域受到射流沖擊需要設(shè)計(jì)陣列 形式的噴口。NST望遠(yuǎn)鏡熱光闌為圓錐式采用射流沖 擊結(jié)構(gòu)周閨環(huán)繞吸收體;熱控要求為不高于環(huán)境 溫度1弋，但并未指出相關(guān)定量依據(jù)DKIST 望遠(yuǎn)鏡熱光闌為圓錐式采用射流沖占結(jié)構(gòu)周 圍環(huán)繞吸收體;基于-程經(jīng)驗(yàn)提出熱控耍求不高 于環(huán)境溫度6七回。對(duì)于EST望遠(yuǎn)鏡熱光闌, 曾提出兩種結(jié)構(gòu)：一種為平板式，無(wú)周闌吸收體; 另一種為惻錐式，周闌環(huán)繞吸收體二者內(nèi)部均為 射流沖擊結(jié)構(gòu)&q

21、uot;分析顯示平板式熱光闌溫控效果 略好。卑于不產(chǎn)生明M熱羽流這一定性判據(jù)提 出熱控要求不高于環(huán)境溫度8丫。國(guó)內(nèi)的CLST 望遠(yuǎn)鏡國(guó)熱光闌為平板式采用射流沖占結(jié)構(gòu)無(wú) 周圍吸收體劉洋毅等人堆于熱光闌溫升和山此 產(chǎn)牛的畸變波前RMS值之間的定就關(guān)系結(jié)合 光學(xué)容卸RMSV25 nm)給岀的溫控指標(biāo)是不高 于環(huán)境溫度5%：國(guó)家夭文臺(tái)為AIMS卩】設(shè)計(jì)的 光闌結(jié)構(gòu)也為圓錐式，采用射流沖擊結(jié)構(gòu)，周圍環(huán) 繞吸收體-導(dǎo)流熱光闌，冷卻液在光闌體內(nèi)部按設(shè)il流 向穩(wěn)定流動(dòng)光闌各部分逐次冷卻。這種方案比 佼成熟、冷卻效果也不錯(cuò)，但導(dǎo)流熱光闌近來(lái)使 用較少 德國(guó)GREGO卑遠(yuǎn)鏡采用該方案【叫德 國(guó)GREGO卑遠(yuǎn)鏡熱

22、光闌為平板式，導(dǎo)流結(jié)構(gòu) 內(nèi)部導(dǎo)流槽是兩條螺旋型彼此闌繞卑于匚程 經(jīng)驗(yàn)，提出熱控要求不高于環(huán)境溫度6勢(shì)叫以上太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡的熱光闌提出的極溫控制 H標(biāo)不盡相同為達(dá)到極高溫度控制I I標(biāo),最簡(jiǎn)便 的方法是通過(guò)提升冷卻液流就和降低冷卻液溫度 實(shí)現(xiàn)但均勻溫控需要在熱光闌設(shè)計(jì)過(guò)程中既要 注意極溫的數(shù)值，還要考慮溫度場(chǎng)分布和極溫的 空間位置。之前的研究對(duì)光闌溫度場(chǎng)、極溫位置問(wèn)題沒(méi) 有足夠重視。直到M Collados凹等人提出,EST 的圓錨式射流沖擊熱比闌的尖端處溫度場(chǎng)需做進(jìn) 一步優(yōu)化這是大家冇次關(guān)注到該問(wèn)題,但還未 提出解決方案 實(shí)際I作悄況卜：圓錐尖端處熱 北傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)；射流沖擊難以對(duì)該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效 沖

23、擊，該區(qū)域冷卻液流速提高閑難,這些因素綜 合導(dǎo)致在通光孔附近即熱光闌的尖端處，冷卻效 果不理想。在CGST預(yù)研作中本課題組育次提出了 倒錐導(dǎo)流式(Inverted-Cone Diversion Type, ICDT) 熱光闌設(shè)計(jì)形式。此熱光闌主體近似平板式，在 通光孔附近做了倒圓維結(jié)構(gòu)通過(guò)帀點(diǎn)優(yōu)化通光 孔附近的冷卻效率控制光闌通光孔區(qū)域的溫 度場(chǎng)。2 太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光闌設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)為了讓熱光闌在很高功率密度照射下與周圍 空氣間保持較小的溫度差異首先需提高光闌反 射率控制進(jìn)入光闌的熱就 進(jìn)入光闌體這部分 熱t(yī)t旨先會(huì)在比闌內(nèi)傳導(dǎo).然后再經(jīng)過(guò)周液耦合 面?zhèn)鲗?dǎo)進(jìn)入冷卻液，最終被帶走 因此，需要研究 熱

24、量在光闌內(nèi)的傳導(dǎo)和光闌與冷卻液間的固液耦 合傳導(dǎo)這兩個(gè)熱就傳導(dǎo)過(guò)程均衡二者的效率才 冇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控溫。2.1熱量在光闌上的傳導(dǎo)熱光闌吸收陽(yáng)光熱址后產(chǎn)牛溫度梯度，熱就 在光闌體內(nèi)部傳遞，這即為固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò) 稈。根據(jù)傅立葉導(dǎo)熱定律【叫dtd0 = -4cLA,(1)dd式中:0為熱流量以為熱導(dǎo)率;丄為導(dǎo)熱截面積; 羋為溫度梯度;d為熱量傳導(dǎo)路程。ddI:作時(shí),陽(yáng)光照射于光闌的小局部區(qū)域，而冷 卻液對(duì)光闌的冷卻則發(fā)生在一個(gè)更大的區(qū)域，因 此熱H:不僅沿 MT光闌表面的方向傳了還在 光闌上橫向傳導(dǎo)、擴(kuò)展。為了降低光闌溫度需要盡快把熱北導(dǎo)人冷 卻液。對(duì)于垂直光闌表面?zhèn)鲗?dǎo)的熱量，光闌的壁 厚越薄，

25、越有利C而對(duì)于在光闌上橫向傳導(dǎo)的熱 量，光闌壁厚一些卻有利丁熱蜃先擴(kuò)展到較大區(qū) 域然肩導(dǎo)入冷卻液。熱光闌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)尋 優(yōu)的過(guò)程倒錐結(jié)構(gòu)不僅縮短了直接傳導(dǎo)路徑同 時(shí)擴(kuò)大了橫向熱傳導(dǎo)的&而積提高了熱就在光 闌體內(nèi)的傳導(dǎo)效率。2.2熱量經(jīng)固液耦合面?zhèn)鬟f到循壞冷卻液 流體力學(xué)中常用努塞爾數(shù)M來(lái)評(píng)估流體對(duì) 流傳熱效率,N"定義式為：Nit J斗,（2）式中:h為對(duì)流換熱系數(shù).d為圓管內(nèi)徑,z為液體 熱導(dǎo)率。當(dāng)d、A確定時(shí),由式可知,N”與h成 正比N”越大,力越大，表明流體對(duì)流傳熱效率越 高在程應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際悄況選用相應(yīng)的 Nu經(jīng)驗(yàn)公式。對(duì)于流體在平也圓管道內(nèi)流動(dòng)的情況引入 G

26、meluiski經(jīng)驗(yàn)公式卩勺式中為阻力系數(shù)具值主耍取決于壁而粗糙度. 壁而越粗糙/數(shù)值越大雷諾數(shù)Re二吟.許朗特 數(shù)刀=牛,其中，“為流速為運(yùn)動(dòng)粘度,“為動(dòng) 力粘度占為定斥熱容?；洃]到光闌內(nèi)腔町簡(jiǎn)化為矩形載面彎曲借:道 模型將上述各式中的圓管內(nèi)徑d替換為當(dāng)量直 徑/刈并引入彎管修正系數(shù)c,二 1 + 10.3（魯），（4）將式（4）代入式（3）得：（鼬-1000）嗆 1+件 “ （5）1 + 127&（啥1）' /山式（5）知.加強(qiáng)固液耦合血的對(duì)流傳熱效率 町以冇很多于段具體到熱光闌問(wèn)題可以采用:（1）使用熱導(dǎo)率較高的冷卻液（2）提高冷卻液流 最 增加壁面粗糙度c（4）在導(dǎo)流腔

27、關(guān)鍵位置 減小管道曲率半徑"（5）在導(dǎo)流腔關(guān)鍵區(qū)域縮小 當(dāng)呈心:徑，筲。需注意的是這些強(qiáng)化換熱的描施 往往會(huì)引起流動(dòng)阻力增加因而需要提升入口壓 力而這將導(dǎo)致系統(tǒng)耐斥耍求提高對(duì)于程問(wèn)題 需綜合考慮3光闌設(shè)計(jì)與仿真3.1光闌設(shè)計(jì)即便不考慮雜散光問(wèn)題熱光闌設(shè)計(jì)也必須 解決兩個(gè)問(wèn)題即視場(chǎng)外光的處理問(wèn)題和光闌的 熱控問(wèn)題。3.1.1 視場(chǎng)外光線處理倒錐導(dǎo)流式熱光闌的外廓與平板式熱光闌近 似 其反光面與光軸垂面夾角為久這樣可以把 視場(chǎng)外光線按預(yù)定方向反射出去。«值取決于結(jié) 構(gòu)需求，以45。最常見(jiàn)。相對(duì)而言，倒錐導(dǎo)流式與 平板式的顯苫不同在于倒錐結(jié)構(gòu),錠體在滿足熱 控目標(biāo)的前提下尺寸要盡

28、駅小錐頂角設(shè)計(jì)為 90。這種設(shè)計(jì)效果是倒錐部分的反射光占比較 少光線基本沿原方向反射冋主鏡=3.1.2光闌熱控圓錐式熱光闌的惻錐頂端由于有待殊的內(nèi) 外廓形需求，很難在這個(gè)位置設(shè)計(jì)射流噴嘴，實(shí)現(xiàn) 沖擊散熱。此外，因該熱光闌導(dǎo)熱路徑最長(zhǎng)該位 世的溫度必然高于周邊氏他位世本文從導(dǎo)熱方 案和外廓形式兩方而衿于，提出倒錐導(dǎo)流式結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)方案該結(jié)構(gòu)既町以解決沖擊方案的效率問(wèn) 題.乂消除J'導(dǎo)熱路徑長(zhǎng)的弊端 倒錐導(dǎo)流式光 闌的內(nèi)部冷卻方式為導(dǎo)流式，其通過(guò)合理設(shè)計(jì)冷 卻腔的結(jié)構(gòu)使冷卻液貼近通光孔內(nèi)堅(jiān)高速流動(dòng)。 這種結(jié)構(gòu)使進(jìn)入光闌的所冇冷卻液都流經(jīng)通光孔 這一關(guān)鍵區(qū)域，從而克服了射流沖擊方式在通光 孔附

29、近冷卻效率不佳的問(wèn)題降低了通光孔處的 溫度根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的熱光闌結(jié)構(gòu)如圖1 （彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。其中圖1（a）為仿真 模型，圖1（b）為實(shí)物圖，圖1（c）為剖面示意圖。 光闌由4部分組成:外殼（灰色）；上蓋（綠色）；導(dǎo) 流板（藍(lán)色）;底蓋（紅色）。外禿零件山低導(dǎo)熱材料制成其不僅起到支 撐保護(hù)的作用.還能減緩熱光闌與環(huán)境間的左接 熱交換上蓋零件的頂面為反射而在通光孔處 設(shè)計(jì)了一個(gè)倒圓錐結(jié)構(gòu)（1（d）紅圈處）該結(jié)構(gòu)改 變了光闌溫度場(chǎng)的分布，有利于降低通光孔處的591中國(guó)光學(xué)第】3卷(a) Simulation model(b)咨件實(shí)物(b) Machine parts溫度。另外，上蓋側(cè)

30、壁開(kāi)有出水口，出水口與光闌 體側(cè)壁表而不垂蟲(chóng)冇一定角度這冇利于光闌體 內(nèi)部冷卻液在流動(dòng)過(guò)程中保持一個(gè)切向速度從 而獲得均勻冷卻效果 導(dǎo)流板分隔頂蓋與帳譴形 成的腔體使得所右冷卻液均流經(jīng)通光孔,通光孔 附近的導(dǎo)流腔體具有較小的當(dāng)量出徑和較小的曲 率半往這樣的設(shè)計(jì)提高了此處的冷卻效率底 蓋設(shè)I十冇人水管連接口加后眇F件成品如圖1(b) 所示，圖中樣件為錫青銅材質(zhì)。(c)別面結(jié)構(gòu)示意(d)上蓋(c) Sectional new(d) Loam cake圖1 ICDT熱光闌結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of ICDT heat-stopGREGO熱光闌也采用了導(dǎo)流技術(shù)方案"熱 光闌冷

31、卻腔內(nèi)i殳遡了兩條麗繞彼此盤旋的螺旋形 導(dǎo)流槽冷卻液從入口處沿導(dǎo)流槽逐漸旋轉(zhuǎn)流至 光闌體通光孔附近再沿導(dǎo)流槽旋轉(zhuǎn)流出 光闌結(jié) 構(gòu)如圖2(彩圖見(jiàn)期刊電子版)所示計(jì)算機(jī)仿貞 的兩種熱光闌冷卻液的流向、流速如圖3(彩圖見(jiàn) 期刊電子版)所示。圖2 GREGO熱光闌模型圖Fig 2 GREGO heat-stop model速度ms 切面線(a) ICDT(b) GREGO圖3 ICDT熱光闌(a)和GREGO熱光闌(b)計(jì)算機(jī)仿真的冷卻液流場(chǎng)Fig. 3 Simulated coolant flow fields of (a) ICDT heat-stop and (b) GREGO heat-sto

32、p3.2熱光闌結(jié)構(gòu)仿真本文便用Ansys-CFX軟件對(duì)模型進(jìn)行求解. 參考實(shí)驗(yàn)條件如衣1所示。表1模型求解參數(shù)設(shè)置Tab. 1 Solution parameter setting for the model設(shè)H類型參數(shù)入邊界20忙冷卻水.M15L/min外喪曲邊界20 弋空氣.15 W m k105 W. /ii£2cmOE為了使仿氏與實(shí)測(cè)條件一致仿貞熱流功率 按，照實(shí)測(cè)形式(105W)設(shè)置。計(jì)算機(jī)仿真的兩種熱光闌形式的固液耦合面 對(duì)流換熱系數(shù)分布圖如圖4所示。由仿真結(jié)果 知，倒錐導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)在通光孔附近關(guān)鍵位置的對(duì) 流換熱系數(shù)明顯高于GREGO結(jié)構(gòu)°計(jì)算機(jī)仿直得到的兩種熱

33、光闌形成的農(nóng)面溫 度場(chǎng)分布如圖5(b)和5(c)所示，在相同的熱流注 入條件下倒錐導(dǎo)流式極限溫升為45七，優(yōu)于 GREGO的極限溫升7弋，同時(shí).山溫度分布圖 町看出：倒錐導(dǎo)流式熱光闌的極高溫區(qū)域距通光 孔冇一定護(hù)離而GREGO光闌極高溫區(qū)緊貼通 光孔。第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制#(a) ICDT(b) GREGO(a)G>)(c)Wall heat transfer coefficient comI1 696xl(F1.602x10'1.507x101.413X1051319x101.225x10*1.131x10*1 036xl(F9.421 xlO4S

34、.479xl047.537HO46.595HO45653HO44.710x103.76882.826x1(1.884x1(9.421 x 101Wm2-K 1圖4 ICDT熱光闌和GREGO熱光闌(b)計(jì)算機(jī)仿真的固液悶合面對(duì)流換熱系數(shù)分布圖Fig. 4 Simulated heat transfer coefficient distributions in solid-liquid coupluig surface of ICDT heat-stop (a) and GREGO heat-stop (b)第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制#圖5 ICDT熱光闌粗糙表面(ICD

35、T光滑表而(b)和GREGO熱光闌(c)的計(jì)算機(jī)仿貞溫度場(chǎng)分布圖Fig 5 Simulation results of temperature field distnbutions of ICDT heat-stop (coarse) (a) ICDT heat-stop (smooth) (b) and GREGO heat-stop (c)第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制595為進(jìn)一步優(yōu)化熱光闌的溫控效果研究了導(dǎo) 流腔壁而粗糙度對(duì)光闌溫控的影響研究發(fā)現(xiàn). 改變導(dǎo)流腔壁面粗糙度町改變固液糾合面的対流 換熱系數(shù)二者相關(guān)性與當(dāng)就吉徑/有關(guān)/越 小，粗糙度與固液鋼合面導(dǎo)熱系數(shù)的相

36、關(guān)性越明 顯 對(duì)GREGO結(jié)構(gòu)而de較大,粗糙度變化所 引起的對(duì)流換熱系數(shù)的變化較小而對(duì)于倒錐導(dǎo) 流式光闌結(jié)構(gòu). < 較小.粗糙度改變所產(chǎn)生的影響 非常明顯在不改變光闌結(jié)構(gòu)的前提下僅把壁面 粗糙度從光潔(Ra=l pm)增大到粗糙(Ra=100 pm), IA1液耦合面的換熱能力就得到明顯改售 仿真結(jié) 果如圖5所示，由圖5(a)、圖5(b)可知,倒錐導(dǎo)流 式光闌改善明顯極限溫升從4.5 3：降低到3匕 而GREGO光闌的衣血溫度在粗糙度增加后基本 沒(méi)有變化如圖5(c)所示。町見(jiàn)增加導(dǎo)流腔壁面 粗槌度町明顯改善倒錐導(dǎo)流式光闌溫控效果4光闌溫度實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)為了檢杳光闌況下的實(shí)際溫度與仿真結(jié)果 是

37、否一致需要對(duì)光闌況卜的溫度進(jìn)行實(shí)測(cè).4.1測(cè)溫方法熱光闌憫其特殊性溫度測(cè)量很困難 采用 任何一種接觸式的溫度傳感器都會(huì)對(duì)照射能吊形 成遮擇I：擾熱就傳播因此對(duì)于被陽(yáng)光照射的 光闌表面只能采用非接觸測(cè)溫法若采用非接觸 的紅外輻射測(cè)溫法也存在I：擾:陽(yáng)光照射時(shí)陽(yáng)光 包含紅外波段能獻(xiàn)這將I：擾測(cè)溫;此外,熱光闌 表面光潔度較高，易反射周闌環(huán)境熱輻射這也會(huì) 對(duì)測(cè)溫結(jié)果造成擾因此光闌測(cè)溫也不能采用 測(cè)M紅外網(wǎng)射的傳統(tǒng)辦法需要采用特殊的 手段。溫度高于環(huán)境的物體在失去能就輸入后，溫 度會(huì)按照指數(shù)規(guī)律降溫，并趨近環(huán)境溫度。溫度 變化如公式所示【。為排除太陽(yáng)照射的F擾, 設(shè)計(jì)了太陽(yáng)光凋制裝置便用調(diào)制裝置屏蔽太

38、陽(yáng) 光后再進(jìn)行光闌的溫降測(cè)員。捕獲溫度卜降的過(guò) 程和溫度下降的時(shí)間起點(diǎn)，就町以最終通過(guò)擬合 方法獲得光闌降溫前的溫度，/(r + d)T = AT0.expI 一-) + 入(6)式中：T為紅外輻射測(cè)溫儀測(cè)就的溫度值M為對(duì) 應(yīng)的時(shí)間值.AT0為光闌體與環(huán)境的初始溫差. d為調(diào)制裝置記錄到的溫度卜降時(shí)間起點(diǎn),r為時(shí) 間常數(shù).Ta為環(huán)境溫度。4.2光闌溫度實(shí)測(cè)方案及測(cè)屋結(jié)果4.2.1 測(cè)溫方案實(shí)驗(yàn)采用1米口徑的菲涅爾透鏡對(duì)太陽(yáng)光進(jìn) 行匯聚以模擬望遠(yuǎn)鏡主鏡的效果.適度離焦以調(diào) 整光斑大小從而獲得需要的功率密度實(shí)驗(yàn)裝證 如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中所采用的光闌其反光而與 光軸的乖而夾角«為10。這是為

39、了方便安弦輻 射測(cè)溫裝直實(shí)驗(yàn)中待匯聚光把光闌體加熱至穩(wěn) 態(tài)后控制調(diào)制盤遮捋陽(yáng)光之后紅外測(cè)溫裝習(xí) 連續(xù)拍攝溫度場(chǎng)圖同時(shí)計(jì)時(shí)裝置記錄準(zhǔn)確的時(shí) 間信息。光闌冷卻水的流就大于12 Limn時(shí)，在陽(yáng)光 離開(kāi)光闌后光闌降溫較快紅外測(cè)溫設(shè)備因具幀 率不足堆以捕捉到光闌完榕的降溫變化過(guò)程故實(shí)驗(yàn)時(shí)僅在0.15-1.2 L/min之間安排若T流量進(jìn)行測(cè)溫，圖6實(shí)驗(yàn)裝亙及氏示總簡(jiǎn)圖Fig. 6 Experimental device and itrs schematic diagram fortemperature measurement實(shí)驗(yàn)時(shí).太陽(yáng)輛照度為1 050 W/m:,菲涅爾透 鏡口徑為lm透鏡透過(guò)率為0

40、.85,同時(shí)，為了讓 光闌獲得更高的溫升以方便測(cè)量，實(shí)驗(yàn)所用熱光 闌表面沒(méi)冇拋光鍍膜相反地進(jìn)行了粗糙化處理. 此時(shí)光闌表而吸收率達(dá)15%。經(jīng)計(jì)算光斑熱流功 率約為105 W.光斑實(shí)測(cè)大小約為2 cm堆于以上實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)溫升將遠(yuǎn)高于卑遠(yuǎn) 鏡實(shí)際I況實(shí)驗(yàn)僅能驗(yàn)證仿真結(jié)果4.2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果紅外測(cè)溫獲得的是灰度圖像簡(jiǎn)稱熱圖.如 圖7所示，其中，圖7(a)為仿真溫度場(chǎng)，圖7(b)為 實(shí)測(cè)溫度場(chǎng).亮度較高處溫度較高，為了降低隨 機(jī)誤差在圖7(b)中待測(cè)位誼附近選取5 pixelx 5 pixel的小區(qū)域的溫度值進(jìn)行平均，溫度按照式 (5)進(jìn)行擬合,得到的擬合曲線如圖7(c)所示。擬合結(jié)果如衣2所示括號(hào)

41、中的數(shù)值對(duì)應(yīng)的 是95%的置信度區(qū)間：本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在圖7(b)中選取了 3個(gè)位 世進(jìn)行測(cè)溫.山內(nèi)至外距通光孔中心位邑分別為 5 nun(點(diǎn) l)、12mm(點(diǎn) 2)、19 mm(點(diǎn) 3)。以 1.125 Limn流量條件下點(diǎn)1位置為例進(jìn)行實(shí) 驗(yàn)，宜測(cè)結(jié)果表明.該處的環(huán)境溫度為24.6 T：、 光闌體溫升為17.6 1：由圖7(a)町知.在對(duì)應(yīng)的 位置處計(jì)算機(jī)仿貞的溫升大約是17.8 r,實(shí)驗(yàn) 結(jié)果與仿真結(jié)果大致吻合。(38.3837.2736.1635.04 .33 93 .32.S2I'l '130.5929.4828.3727.2526.1425.0323.9122S0

42、21.6920.5840Fitting curve 十 Measured data11A*、f Y.i|1|*(a)仿典溫度場(chǎng)(b)實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)(a) Simulation temperature (b) Measured tenjeratuie3530*-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Time's(C)實(shí)測(cè)沮度is據(jù)點(diǎn)及擬合m(c) Measured temperature data points and fitting curves圖7溫度場(chǎng)仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果Fig. 7 Simulation and measured results

43、 of temperaturefield表2Tab. 2擬合結(jié)果Fitting results擬合參數(shù)結(jié)果17.6(2)r/$038(1)24.6(24224.99)多組流屋（流速）條件b實(shí)測(cè)溫升和數(shù)值模 擬溫升的結(jié)果列于表3。通過(guò)對(duì)照發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)溫升與仿真模擬彳導(dǎo)到的 溫升堆木相同，也就是說(shuō)在一定的持度要求下仿 貞結(jié)果是正確的這就便于在光闌設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整 后通過(guò)仿真就能評(píng)佔(zhàn)設(shè)計(jì)結(jié)果是否得到優(yōu)化，而 不用毎次修改參數(shù)均進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證"表3實(shí)測(cè)溫升和數(shù)值模擬溫升結(jié)果Tab3 Measured and numerical simulation temperat

44、ure rises流肚L mm點(diǎn)1實(shí)測(cè)r/m點(diǎn)1模擬r/m點(diǎn)2實(shí)測(cè)點(diǎn)2模擬 刀代）點(diǎn)3實(shí)測(cè) r/m點(diǎn)3模擬 r/m0.1540.941.633.233.416.016.70.4232.833.727327.0B.513.20.6427.027.722.022.010.310.50.8621.922.518.01.12517.617.814314.6737.25結(jié)論與梵他太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡光闌設(shè)計(jì)方案相比，倒供 導(dǎo)流式設(shè)計(jì)具冇以下兒個(gè)特征：（1）頂蓋上設(shè)計(jì)冇倒圓維結(jié)構(gòu)冇利于降低通 光孔處的溫度"（2）進(jìn)入光闌的所有冷卻液全都流經(jīng)通光孔 旁這一關(guān)鍵區(qū)域。（3）光闌導(dǎo)水腔結(jié)構(gòu)在

45、通光孔附近的流通哉 面積迅速縮小、強(qiáng)制流體流向發(fā)牛變化（減小曲 率半徑）、增大腔內(nèi)粗糙度通過(guò)多種手段結(jié)合可 有效提高該處固液耦合面的對(duì)流換熱系數(shù)。本文對(duì)比闌性能進(jìn)行了 CFD軟件仿戌.設(shè) i I了實(shí)驗(yàn)裝曲模擬望遠(yuǎn)鏡并對(duì)光闌加熱 慮于該 裝置實(shí)現(xiàn)了熱光闌溫度實(shí)測(cè)對(duì)比模擬和實(shí)測(cè)實(shí) 驗(yàn)於證了數(shù)值模擬的町孤性。本文采用數(shù)值模擬 對(duì)倒鏈導(dǎo)流式熱光闌與GREGO的熱光闌進(jìn)行了 比較結(jié)果衣明倒錐導(dǎo)流式熱光闌冷卻效率明 顯真于傳統(tǒng)熱光闌"在熱負(fù)載相同的條件卜本 文新光闌極限溫升為3 傳統(tǒng)光闌的極限溫升 為IX.新結(jié)構(gòu)熱光闌與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熱光闌更帀要 的區(qū)別在于，新結(jié)構(gòu)的極限溫升位置是離開(kāi)通光 孔區(qū)域的這

46、冇利于坯遠(yuǎn)鏡視寧度的保持。倒錐導(dǎo)流光闌的倒錐結(jié)構(gòu)把小部分焦面附 近陽(yáng)光反射回主鏡方向町能造成新雜散光來(lái)源, 采用該光闌方案前還必須經(jīng)過(guò)雜散光評(píng)佔(zhàn)。第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制#第3期張用辰，等：太陽(yáng)墊遠(yuǎn)鏡的倒錐導(dǎo)流式熱光闌研制597參考文獻(xiàn):1 劉忠，鄧元勇，季海生，等中國(guó)地基大太陽(yáng)掘遠(yuǎn)鏡E.中國(guó)科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué).2012.42(12)： 1282-1291.LIU ZH. DENG Y Y, JI H SH. et aL. Ground-based giant solar telescope of China J. Scientia Simca Physica,M

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