兴隆2.16米望远镜圆顶吊装通道通风研究*

李陶然，王建峰

(中国科学院光学天文重点实验室 (国家天文台)，北京 100101)

兴隆观测基地2.16 m光学天文望远镜于1989年投入使用，其半球型圆顶直径23 m，高15 m，圆顶墙体有低热容量的加气混凝土保温墙和对流区域[1-2]。由于2.16 m望远镜使用的英国式赤道仪需要较大的回转空间，因此，望远镜的圆顶体积很大，约5 600 m3。圆顶体积过大带来了高热容积的问题，仅靠少数排风系统难以快速达到圆顶内外空气热平衡，且由圆顶天窗进入的自然风会在圆顶内部产生湍流现象。因此，望远镜的观测精度受到圆顶视宁度的影响。

圆顶通风已成为大型望远镜圆顶设计中必不可少的部分，可以有效解决圆顶视宁度问题。通过促进圆顶内外空气的水平流通达到改善圆顶视宁度的目的，从而提高望远镜的观测精度。在圆顶表面设置一系列的自然通风窗口是非常有效且经济的通风方法，利用自然风带走圆顶内部的热量和湍流空气，可以快速达到热平衡。但对已建成的圆顶进行大范围自然通风窗口改造有诸多限制，需要考虑已有圆顶的改造和施工条件，并根据圆顶的结构强度进行详细分析，时间和经济成本消耗过大，且容易对望远镜正常观测产生影响。

2.16 m圆顶内有一供主镜镀膜的吊装通道，约4 m × 3 m。若将其改造为通风口，可以与天窗开口形成对流，大大增加通风效率，提高望远镜的观测质量。本文对吊装通道改造为通风口进行了设计，并使用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件(1)ANSYS, Inc. Release Notes, 2012对通风效果进行分析，对比通风口存在与否情况下的通风效果，为2.16 m望远镜圆顶通风改造提供参考依据。

1 通风方案设计

兴隆2.16 m望远镜吊装通道位置如图1。根据圆顶结构，为吊装通道改造进行设计。为最小化风道路径，提高通风效率，将通风管道引入下一层后转折90°向西侧从圆顶墙体排出。根据墙体结构，设计排风口大小为1 m × 1 m。为提高安全性，在圆顶内吊装通道口处安装防护网，防止跌落。安装防护网前需要将吊装通道处原有地板移开并进行部分改造，以便于防护网的固定。防护网为栅格结构，既不影响通风效果又可以保证人员安全(图2)。

图3为通风管道的剖面图。通风管道底板为活动底板，易于开合。当主镜镀膜时将活动底板打开，不影响吊装通道功能。可开合底板距离地面约3 m，不影响人员通过。两台可控风速排风机安装在吊顶上方，可选择同时工作并互为备份，排风量55 000 m3/h左右(按单台风机每小时换风10次计算)。

图1 兴隆2.16 m望远镜及圆顶吊装通道

Fig.1 Xinglong 2.16-m telescope and hoisting tunnel

图2 通风管道及防护网示意图

Fig.2 Sketch of ventilation duct and protection layer

图3 通风管道及活动底板设计

Fig.3 Design of ventilation duct and openable door

2 计算流体动力学分析模型

2.1 望远镜圆顶模型

2.16 m望远镜圆顶总高35 m，随动圆顶部分高15 m、直径23 m，天窗开口宽度5 m。望远镜的三维模型基于2.16 m望远镜图纸建立。为了减小计算机负荷及处理时间，将2.16 m望远镜模型进行简化，去除对通风效果无影响的微小部件和内部部件。经过简化用于计算流体动力学软件分析的模型分为4部分，圆顶、转台、望远镜镜筒和流体域，如图4。本文仅考虑圆顶内部的通风效果，因此，该模型的流体域为圆顶的内部空气域。

2.2 参数设置

根据兴隆观测基地气象站数据，常规观测夜风速一般为1～2 m/s。因此，在本文的分析中，设置环境风速v=1 m/s，外界环境空气从天窗进入圆顶。排风口位于圆顶外壁面(图4)，设置排风口风速v=-15 m/s，用于模拟排风扇(风机风量约55 000 m3/h，风口面积为1 m2，由此计算风速约为15 m/s)。本文采用基于压力基的k-ε瞬态模型，适用于慢速不可压缩流体[3-4]。在文[5]关于圆顶通风的研究中，也使用了同样的模型进行处理。初始圆顶内温度设置为278 K，外界空气温度为273 K。

3 计算结果分析

根据圆顶天窗的朝向，对以下3种不同天窗与通风口夹角的情况进行了分析，对比无通风口和主动排风的通风效果。

图4 计算流体动力学简化模型，包括圆顶、转台、镜筒和流体域

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

3.1 天窗开口与通风口夹角180°时的通风效果分析

如图4，在此种情况下圆顶天窗朝东，外界空气主要从天窗开口进入。通过观察圆顶内部温度变化得知，无通风口时600 s左右达到温度平衡, 主动排风时500 s左右达到温度平衡。因此，以下取第500 s时刻的数据进行分析。

图5 天窗开口与通风口夹角180°时((a),(b))温度与((c),(d))湍流强度分布，((a),(c))无通风与((b),(d))主动排风

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

图6 天窗开口与通风口夹角180°时((a),(b))风速与((c),(d))矢量分布， ((a),(c))无通风与((b),(d))主动排风

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

通过对比分析图5和图6可得到以下结果：

(1)温度：在该输入条件下(风速、风向、温度)，主动排风时圆顶内温度在500 s左右与外界达到平衡，比无主动排风时更快达到热平衡，有利于圆顶视宁度的快速降低。

(2)湍流强度：在望远镜光路范围内，有无主动排风时的最大湍流强度分别为42.51%和61.35%，主动排风情况下减小约30%。镜盖边缘为78.82%和137.39%。

(3)风速分布和矢量：在主动排风作用下，主镜遮光筒上方的风速为1.21 m/s，而无排风时为1.22 m/s。在望远镜迎风面处，有无主动排风时分别为1.31 m/s和3.20 m/s，圆顶内最大风速分别为3.90 m/s和7.00 m/s。

(4)由风速矢量图可以清晰地看出，圆顶内的气流流动方向。在开启主动排风后，望远镜周围的风向朝吊装口流动，被排风机排出圆顶。无主动排风情况下，空气经过望远镜后在背风面产生涡流，仍然从天窗流出，望远镜周围风速较大(风速矢量图颜色较深)。

3.2 天窗开口与通风口夹角90°时的通风效果分析

如图7，当天窗开口与通风口夹角为90°时，天窗朝北或朝南(以下按朝北情况进行分析)，外界空气仍然从天窗进入，与通风口的距离减少，仿真参数同3.1节。通过观察圆顶内部温度变化得知，无通风口时360 s左右达到温度平衡, 主动排风时400 s左右达到温度平衡。因此，以下取第360 s时刻的数据进行分析。

图7 天窗开口与通风口夹角90°时，风向(箭头方向)、天窗与通风口位置示意图

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

图8 天窗开口与通风口夹角90°时((a),(b))温度与((c),(d))湍流强度分布， ((a),(c))无通风与((b),(d))主动排风

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

图9 天窗开口与通风口夹角90°时((a),(b))风速与((c),(d))矢量分布， ((a),(c))无通风与((b),(d))主动排风

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

通过对比分析图8和图9可得到以下结果：

(1)温度：在该输入条件下，主动排风时圆顶内温度在400 s左右与外界达到平衡，比无主动排风情况(360 s)稍慢。在圆顶内主动排风通道的另一侧(图8(b)中圆顶右上方)降温较慢。这是因为外界低温空气进入圆顶后从左侧排风通道排出，没有吹到圆顶右侧。

(2)湍流强度：在望远镜光路范围内，主动排风时最大湍流强度为15.89%，圆顶内平均湍流强度为3.76%。无通风时，主镜遮光筒上方最大湍流强度为58.62%，圆顶内平均湍流强度为9.17%。相比于无通风情况，主动排风时湍流强度更低且分布更均匀。

(3)风速分布：在主动排风作用下，主镜遮光筒上方的风速为0.75 m/s左右，无排风时为0.88 m/s。圆顶内最大风速分别为4.25 m/s和2.24 m/s(位于镜盖附近)。

(4)风速矢量：在开启主动排风后，通风口相对的一侧风速较小。无通风情况下，主镜盖附近风速较大，在圆顶内形成多个涡流(图9(c))。

3.3 天窗开口与通风口夹角0°时的通风效果分析

如图10，当天窗开口与通风口夹角为0°，圆顶朝西，仿真参数同3.1节。通过观察圆顶内部温度变化得知，无通风口时200 s左右达到温度平衡, 主动排风时250 s左右达到温度平衡。因此，以下取第200 s时刻的数据进行分析。

图10 天窗开口与通风口夹角0°时，风向(箭头方向)、天窗与通风口位置示意图

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

图11 天窗开口与通风口夹角0°时((a),(b))温度与((c),(d))湍流强度分布， ((a),(c))无通风与((b),(d))主动排风

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

图12 天窗开口与通风口夹角0°时((a),(b))风速与((c),(d))矢量分布， ((a),(c))无通风与((b),(d))主动排风

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

通过对比分析图11和图12可得到以下结果：

(1)温度：在该输入条件下，主动排风时圆顶内温度在250 s左右与外界达到平衡，比无主动排风情况(200 s)稍慢。与3.2节结果类似，圆顶内主动排风通道相对一侧上方(图11(b)中圆顶天窗右侧)温度下降较慢。同样是由于外界低温空气进入圆顶后仅有少量吹到圆顶右侧。

(2)湍流强度：湍流强度分布图对比很明显。在望远镜光路范围内，主动排风时最大湍流强度为10.49%，圆顶内平均湍流强度为3.43%。无通风时，主镜遮光筒上方最大湍流强度为68.24%，圆顶内平均湍流强度为7.89%。相比于无通风情况，主动排风时湍流强度分布改善很大。

(3)风速分布：在主动排风作用下，主镜遮光筒上方的风速为0.67 m/s左右，无排风时为0.92 m/s。圆顶内最大风速分别为6.25 m/s和1.87 m/s(位于镜盖附近)。

(4)风速矢量：在开启主动排风后，圆顶内风速矢量相对平稳。无通风情况下主镜上方风速较大，在圆顶内形成多个涡流。

3.4 排风机风量影响分析

当排风机风量发生变化时，势必造成圆顶内湍流情况的改变。因此，对不同风量情况进行分析有助于风机选型，仿真参数同3.1节，天窗开口与通风口夹角为0°，圆顶朝西。设置出风口风速为9 m/s，每小时换气约6次，比前文设置的风速略低。在此情况下，主动排风时560 s左右达到温度平衡。为了便于对比，仍然取第500 s时刻进行分析。

通过对比分析图5、图6(大风量风机)和图13，可得到以下结果：

(1)温度：在该输入条件下，主动排风时圆顶内温度在560 s左右与外界达到平衡，比无主动排风情况(600 s)更快达到热平衡，但由于排风风速降低，平衡时间有所提高。

(2)湍流强度：在主镜遮光筒上方最大湍流强度为32.80%，相比于无主动排风(61.35%)和大风量情况(42.51%)均有降低。圆顶内平均湍流强度为12.04%。

(3)风速分布：主镜遮光筒上方的风速为1.31 m/s，而无排风时为1.22 m/s。在望远镜迎风面处，有无主动排风时分别为1.41 m/s和3.20 m/s，圆顶内最大风速为3.85 m/s。相比于大风量风机(3.1节)，风速分布变化较小。

(4)在使用小风量风机时，望远镜周围风速变小(风速矢量图颜色相对于大风量风机情况较浅)，圆顶内涡流仍然存在。

结合以上分析可知，使用小风量排风机有助于温度和湍流强度的降低，且湍流强度比大风量排风机的情况更小，望远镜附近风速也略有减小。因此，在满足换气频率的条件下，可以选择风量最小的排风机，既保证换气和热平衡速率，又可以降低圆顶内的湍流强度和风速。

图13 天窗开口与通风口夹角0°，小风量风机情况下的(a)温度、(b)风速、(c)湍流强度与(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 结论与展望

本文针对兴隆2.16 m望远镜圆顶视宁度提出一种改善方法，将吊装通道改造为通风管道，并为2.16 m望远镜建模分析通风效果。分析结果表明，将圆顶吊装通道改造为通风口可以提高圆顶内外热平衡速率，使圆顶内空气更稳定，从而降低圆顶视宁度的影响，具体如下：

(1)将圆顶吊装通道改造成通风口后，在天窗朝东的情况下可以有效提高降温速度，快速达到圆顶内外热平衡。同时，降低了湍流强度和风速，有利于圆顶视宁度的改善。

(2)当天窗朝北、朝南或朝西时，由于外界冷空气会从西侧的通风口排出，相对的，圆顶的东侧可能降温较慢，但此时圆顶内和望远镜附近的湍流强度、风速都得到较大改善。

(3)增大排风机功率可以提高换热速率，但势必会增加预算以及耗电量。

(4)在满足换气频率的条件下，选用风量最小的排风机。

(5)当温度达到平衡后，湍流强度等各项参数也趋于稳定，此时可关闭通风口。

除了关于圆顶通风的研究外，兴隆基地运行团队也进行了多项对2.16 m望远镜成像质量和效率提升的研究：开展快反镜(Tip/Tilt)系统研制提高能量集中度、进行主镜室制冷降低主镜视宁度等等。结合圆顶通风的研究，为2.16 m望远镜圆顶通风改造提供参考依据，望远镜成像质量和效率可以得到进一步改善，全面提升2.16 m望远镜的科研价值。