望远镜的“穿堂风”

地基光学望远镜总是被空气包裹着，如果不采取一定的措施，空气会影响望远镜的观测性能与设备安全，但我们也可以利用空气改善望远镜的观测环境。近期发生的虎门大桥振动事件便是空气流动危害设备的安全的例子。本文将介绍空气流动对于天文望远镜圆顶的影响。

地基光学天文望远镜通常有圆顶保护其免受外界风雨侵害。但由于圆顶内各仪器的发热和圆顶对内部空气的“保温”，引起圆顶内温度不均匀，导致空气折射率变化，即圆顶视宁度（Dome seeing）变差，降低了望远镜观测精度和效率。

圆顶通风是解决这一问题的有效途径，可有效促进圆顶内外的空气流通，改善圆顶视宁度。除此之外，现代光学天文望远镜的口径越来越大，望远镜圆顶也随之增大。我国2.16米望远镜圆顶外直径为23米[1]。我国参与的三十米望远镜 (Thirty Meters Telescope, TMT)圆顶内部直径达57米[2]。圆顶的体积越大散热越慢，使得圆顶通风尤为重要。

圆

圆顶自然通风

在圆顶外壁开通风孔是圆顶通风的有效方法之一，利用对称的通风孔形成“穿堂风”，具有散热快、成本低等优点。近年来将要建设的大型望远镜也无一例外的设计了圆顶自然通风窗孔。例如，TMT望远镜在圆顶外壁设置了3层共97个通风孔，欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope, E-ELT) [3]设置了3层共48个通风孔。

图1 TMT与E-ELT的圆顶

图片来源tmt.org，eso.org

如何在施工前知道圆顶通风效果的好坏呢？计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics ，CFD)方法提供了圆顶通风研究的便利手段，可通过计算机仿真辅助和验证圆顶通风的设计。根据圆顶的结构和通风要求进行通风孔数量与尺寸的设计，并结合当地气象数据进行仿真验证，优化通风孔的布局。

通过CFD仿真分析的结果，我们可以得到圆顶内外达到热平衡的时间（图2）、风速（图3）等关键参量的分布，直观显示风的走向（图4）并对比不同通风孔设计的自然通风效果（图5）。此外，经过简单的处理后还可以得到圆顶视宁度的仿真值，以便于评价圆顶通风设计。

图2 根据圆顶内部的温度变化，判断达到热平衡时间

图3 圆顶内部的风速变化

图4 圆顶区域的风向流动迹线[4]

图5 圆顶自然通风效果对比，上图为没有通风孔的情况，温度降低较慢

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圆顶主动排风系统

自然通风方式在无风或风速较小的情况下效果不明显，因此大型望远镜圆顶内通常有主动排风系统，与制冷系统一起可在白天进行制冷或换气。夜间观测时，若无自然通风孔或外界自然风较弱时，启动主动排风将圆顶内的热空气排出。双子座（Gemini）望远镜是一台同时具有自然通风孔和主动排风系统的望远镜（图6），圆顶外空气由自然通风孔和天窗进入，主动通风系统位于地板下面，促进空气流动，将圆顶内空气排出室外。

图6 双子座望远镜的通风示意图[5]

主动排风的设计需要考虑排风管道位置、大小和风机风量等因素。为了避免望远镜抖动，还需要考虑望远镜的风载和光路范围内的湍流情况。

图7 主动排风的仿真分析，风速分布图[6]

图8 主动排风系统流动示意图

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卡门涡街的启示

近期发生的虎门大桥振动现象受到广泛关注（见图9）。经过调查，在特定的风况条件下会诱发悬索桥发生抖动。

图9 虎门大桥的振动

虎门大桥振动事件便是空气流动危害设备安全的例子之一。望远镜的圆顶通常为圆柱形，而流体在一定条件下经过圆柱体时会产生卡门涡街[7]，对物体产生如图10所示的周期性作用力，造成物体一定程度的损坏。

图10 圆柱绕流现象的仿真

卡门涡街是流体力学中一个重要的现象，在自然界中常可遇到。图11是位于大西洋的西班牙加那利群岛和马德拉岛引起的卡门涡街现象。

图11 西班牙加那利群岛和马德拉岛上空的卡门涡街。

图片来源：earthobservatory.nasa.gov

卡门涡街的产生与风速和建筑外形、尺寸有关，其带来的影响可能是微弱的振动。以往的望远镜圆顶建筑设计通常仅考虑了最大工作风速，忽略了振动的问题。圆顶导轨等结构部件的异常损坏很可能就与该问题有关。

随着流体力学的不断发展，相信圆顶的通风设计会不断完善，并在我国未来大型光学望远镜建设项目中发挥重要作用。

参考文献

1. 苏定强. 2.16 m 天文望远镜工程文集. 北京: 中国科学技术出版社, 2001.

2. G.H. Sanders. The Thirty Meter Telescope (TMT) Project. Workshop, Tokyo, 2013:

3. P. Gray, E. Ciattaglia, C. Dupuy, et al. E-ELT assembly, integration, and technical commissioning plans. SPIE Astronomical Telescopes+ Instrumentation, 2016: 99060X-99060X-99010.

4. Taoran Li et al. Aerodynamic modeling in dome seeing study of the 2.16-m telescope," Journal of Astronomical Telescopes, Instruments, and Systems 5(2), 024011

5. R Ford. Seeing control strategy for the GEMINI 8m enclosure. Gemini project report (1993).

6. 李陶然,王建峰.兴隆2.16米望远镜圆顶吊装通道通风研究. 天文研究与技术,2020,17(02)

7. Von Karman T. ber den Mechanismus des Widerstandes, den ein bewegter Krper in einer Flüssigkeit erfhrt. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Gttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, 1911, 1911: 509-517.

作者简介

李陶然，理学博士，中国科学院国家天文台工程师，主要研究领域为观测台站布局和环境控制。

主编：石硕

轮值主编：姜晓军（国家天文台研究员）

编辑：王汇娟、赵宇豪、柒柒

本文经授权转自《中国科学院国家天文台》微信公众号