太阳望远镜的倒锥导流式热光阑研制

1、第13卷第3期2020年6月Vol 13 No. 3Jun 2020中国&Chinese Optics枇刪U太阳望远镜的倒锥导流式热光阑研制张雨辰王飞翔许方宇黄善杰谭旭路文龙肖建国贾饪超罗宏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：张雨辰，

2、王飞翔，许方宇，黄善杰，谭旭，路文龙，肖建国，贾锂超，罗宏.太阳望远镜的倒锥导流式热光阑研制IJI.中国光学, 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在线阅读 View online: /!O.3788/C().2019-0139您可能感兴趣的其他文章Ai-ticles you may be interested in人体腿部四层结构的红外热成像冇限元分析Finite clement analysis of infrar<k(l thcnnal imaging for four-layers truclure of human thigh中国光学.2018, 11(2): 23

4、7 hitpidZ/10.37R8/CO.20181102.0237罪制冷热像仪内部温升对测汨榕度的影响修1E(Correc tion of teinprrature nuasurenient accuracy affected by internal trmpriaturc ris< in unc(M)le(l tliermal imager 中国光学.2018, 11(4): 669 hii|>s:/(/10.3788/C0.20181104.0669空间引力波探测望远镜初步设计与分析l"n*liminary design and anal

5、ysis of trlrsco|)e for space gravitational wave drier!ion中国光学.201& 11(1): 131 hl tps/(k)/10.3788/C0.20181101.0131空气导热作用下Nd：Y.G晶体温场特件TemjM*rature field of N<l: Y/G crystal under air heat transfer中国光学.2019. 12(3): 686 hltps7/ck)/103788/0().20191203.0686大型合成孔径琨远镜标准化点源敏感性分析Nonnalized po

6、int sourc e sensitivity analysis of large sparse telesc opes中国光学.2019, 12(3): 567 /10.3788/CO.20I91203.0567At J：红外怖射恃性系统实现对面口标测駅Op|x)silc target measunuiuuil based on infrar<B<l radiation cliaraclerislic sysh'tn中国光学.2018. 11(5): 804 httpA/10.3788/00.20181105.0804中国光学Ch

7、inese Optics文章编号 2095-1531( 2020 )03-0586-09太阳望远镜的倒锥导流式热光阑研制张雨辰巴王飞翔'许方宇二黄善杰I,谭旭匕路文龙4肖建国4贾狂超°,罗宏°(1.中国科学院云南天文台，云南昆明650216；2.中国科学院大学，北京100049；3.云南师范大学云南省光电信息技术重点实验室，云南昆明650216；4.云南北方驶宏光电有限公司.云南昆明650217 )摘要:对于大【I径地基开放式太阳里远镜热光阑温升将导致其像质劣化 尤其是热光阑通光孔紧挨成像光束其与环 境的温度聂对像质影响很大,这是中国H型太阳望远镜(Chinese

8、Giant Solar Telescope. CGST) i|划血临的谄多间题之 一解决热尢阑温控问题的昇体方法是i殳计帑体冷却效率高fl在关键位宜得到进一步强化的热光阑结构以达到温控 均匀的丨1的 本文提出倒借导流式热光阑设计方案，该方案有利尸降低通光孔位迓温度使温度极岛点离开通光孔 对 流换热系数和光阑沿度场仿真结果证明此方案明显优前常用的方法 倒俳导流式热光闽的极限温升为3龙.优J： GREGO的极限温升(7 T)；实测温度场与仿貞温度场进行对照结果在i吴差范鬧内 结果证明导流式倒饰结构貝冇较 好的温控效果.关 键 词:热光阑；红外测溫;CGST预研；导流式;射流冲去中图分类号:PU1.

9、21；TH691 9文献标志码:Adoi： 10 3788 CO 2019-0139Development of the inverted-cone diversion typeheat-stop for solar telescopesZHANG Yu-chen气 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；修订日期:2019-08-20基金项目:国家门然科学菇金资助项0 (No

12、. 11803089. No. 11873091. No. 11673064)Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 11803089, No. 11873091, No. 11673064)第3期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制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期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制#第3期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制5891引言太阳物理学理论的发展与验证需要高质就观 测数据的支撑。为了获得更好的规测数据中国 太阳物理学界正策划建设F代大型地基太阳望 远镜.即CGST计划叭 现代望远镜I径的不断 増大主诡的聚比能力也越来越强为了减轻后端 光学系统的热HW力需要

17、提前控制或处理掉大口 径太阳琨远镜视场外能就现代大口径太阳望远 镜多采用格卑.高利结构在主镜Ml和剛镜M2 之间的焦点F1处安装视场光阑（也称为热光阑）, 热光阑的作用是隔描视场外光线，对视场外的光 线进行反射或吸收使其不再继续传播。热光阑位于望远镜焦面上仅允许视场内光 线通过梵承受的热载荷很高产牛的热致湍流效 应也非常明显 此外由于其与像面互为共馳关 系视场光阑处产牛的湍流会导致像面抖动、离 焦、像质下降等悄况热光阑由此成为大口径太 阳里远镜热控的关键部件。为了抑制热比阑衣面 热致湍流的产牛，解决热光阑处的视宁度问题L1 前冇两种方案：（1）真空望远镜方案，在真空条件 下抑制热致湍流的产牛降

18、低热光阑温控要求。 但望远镜越大村窗口径也越大.武承受的大气斥 力也越大。考虑到大口径封窗的制造难度以及封 窗对红外波段的截止.H前最大口径的太阳即远 镜是NVST,其有效口径为980mm耳一（2）望远镜 采用敞开式结构敞开方案需要仔细i殳汁热光阑 结构控制其温升保护像质。热光阑吸热升温后将通过H然对流方式将热 就传递给附近空气形成湍流中国科学院成都 光电技术研究所（简称成都光电所）的刘洋毅 等人仿真分析了热致湍流对成像光束波面的影 响'结果显示光阑与空气温差越大,热湍流对成 像光束波面产t的不利影响越严朿、影响范围越 广。显然湍流强弱不仅与温差相关，更与距离相 关茨离热源越近的空气温

19、度波动越大热致湍 流越明显成像光线在穿过该区域时，波前会受到 扰导致像质劣化 所以热光阑温控追求的冃 标是与大气温弟小极温区域远离通光孔。根据 光阑对视场外光线反射方向的不同，热比阑多町 分为圆锥式与平板式圆锥式光阑具冇圆对称结 构将视场外光线向四周反射.一般需i殳世外围吸 收体来控制这部分光线;平板式光阑一般将视场 外光线按设定方向反射通常不需耍外尉吸收 体根据热光阑内部冷却方式的不同，热光阑乂 町以分为射流冲击类和导流类。射流冲击热光阑是目前大多数国内外开放式 大口径太阳望远镜所采用的形式，如矣国NST热 光阑、美国DKIST（原ATST）热光阑、欧洲 EST热光阑、国内成都光电所为CLS

20、T设计的热 光康和国家天文台为AIMS设计的热光阑，在这 种换热方式中液体在斥差作用卜通过一个圆形 或窄缝形喷口喷射到被冷却的表面上,从而使直 接受到冲击的区域产牛很强的换热效果为了使 光阑冇更大的区域受到射流冲击需要设计阵列 形式的喷口。NST望远镜热光阑为圆锥式采用射流冲 击结构周闺环绕吸收体;热控要求为不高于环境 温度1弋，但并未指出相关定量依据DKIST 望远镜热光阑为圆锥式采用射流冲占结构周 围环绕吸收体;基于-程经验提出热控耍求不高 于环境温度6七回。对于EST望远镜热光阑, 曾提出两种结构：一种为平板式，无周闌吸收体; 另一种为恻锥式，周闌环绕吸收体二者内部均为 射流冲击结构&q

21、uot;分析显示平板式热光阑温控效果 略好。卑于不产生明M热羽流这一定性判据提 出热控要求不高于环境温度8丫。国内的CLST 望远镜国热光阑为平板式采用射流冲占结构无 周围吸收体刘洋毅等人堆于热光阑温升和山此 产牛的畸变波前RMS值之间的定就关系结合 光学容卸RMSV25 nm)给岀的温控指标是不高 于环境温度5%：国家夭文台为AIMS卩】设计的 光阑结构也为圆锥式，采用射流冲击结构，周围环 绕吸收体-导流热光阑，冷却液在光阑体内部按设il流 向稳定流动光阑各部分逐次冷却。这种方案比 佼成熟、冷却效果也不错，但导流热光阑近来使 用较少 德国GREGO卑远镜采用该方案【叫德 国GREGO卑远镜热

22、光阑为平板式，导流结构 内部导流槽是两条螺旋型彼此闌绕卑于匚程 经验，提出热控要求不高于环境温度6勢叫以上太阳望远镜的热光阑提出的极温控制 H标不尽相同为达到极高温度控制I I标,最简便 的方法是通过提升冷却液流就和降低冷却液温度 实现但均匀温控需要在热光阑设计过程中既要 注意极温的数值，还要考虑温度场分布和极温的 空间位置。之前的研究对光阑温度场、极温位置问题没 有足够重视。直到M Collados凹等人提出,EST 的圆锚式射流冲击热比阑的尖端处温度场需做进 一步优化这是大家冇次关注到该问题,但还未 提出解决方案 实际I作悄况卜：圆锥尖端处热 北传导路径长；射流冲击难以对该区域实现有效 冲

23、击，该区域冷却液流速提高闲难,这些因素综 合导致在通光孔附近即热光阑的尖端处，冷却效 果不理想。在CGST预研作中本课题组育次提出了 倒锥导流式(Inverted-Cone Diversion Type, ICDT) 热光阑设计形式。此热光阑主体近似平板式，在 通光孔附近做了倒圆维结构通过帀点优化通光 孔附近的冷却效率控制光阑通光孔区域的温 度场。2 太阳望远镜光阑设计的理论基础为了让热光阑在很高功率密度照射下与周围 空气间保持较小的温度差异首先需提高光阑反 射率控制进入光阑的热就 进入光阑体这部分 热tt旨先会在比阑内传导.然后再经过周液耦合 面传导进入冷却液，最终被带走 因此，需要研究 热

24、量在光阑内的传导和光阑与冷却液间的固液耦 合传导这两个热就传导过程均衡二者的效率才 冇机会实现最优控温。2.1热量在光阑上的传导热光阑吸收阳光热址后产牛温度梯度，热就 在光阑体内部传递，这即为固体内部的热传导过 稈。根据傅立叶导热定律【叫dtd0 = -4cLA,(1)dd式中:0为热流量以为热导率;丄为导热截面积; 芈为温度梯度;d为热量传导路程。ddI:作时,阳光照射于光阑的小局部区域，而冷 却液对光阑的冷却则发生在一个更大的区域，因 此热H:不仅沿 MT光阑表面的方向传了还在 光阑上横向传导、扩展。为了降低光阑温度需要尽快把热北导人冷 却液。对于垂直光阑表面传导的热量，光阑的壁 厚越薄，

25、越有利C而对于在光阑上横向传导的热 量，光阑壁厚一些却有利丁热蜃先扩展到较大区 域然肩导入冷却液。热光阑的结构设计是一个寻 优的过程倒锥结构不仅缩短了直接传导路径同 时扩大了横向热传导的&而积提高了热就在光 阑体内的传导效率。2.2热量经固液耦合面传递到循坏冷却液 流体力学中常用努塞尔数M来评估流体对 流传热效率,N"定义式为：Nit J斗,（2）式中:h为对流换热系数.d为圆管内径,z为液体 热导率。当d、A确定时,由式可知,N”与h成 正比N”越大,力越大，表明流体对流传热效率越 高在程应用中应根据实际悄况选用相应的 Nu经验公式。对于流体在平也圆管道内流动的情况引入 G

26、meluiski经验公式卩勺式中为阻力系数具值主耍取决于壁而粗糙度. 壁而越粗糙/数值越大雷诺数Re二吟.許朗特 数刀=牛,其中，“为流速为运动粘度,“为动 力粘度占为定斥热容。粵虑到光阑内腔町简化为矩形载面弯曲借:道 模型将上述各式中的圆管内径d替换为当量直 径/刈并引入弯管修正系数c,二 1 + 10.3（鲁），（4）将式（4）代入式（3）得：（鼬-1000）呛 1+件 “ （5）1 + 127&（啥1）' /山式（5）知.加强固液耦合血的对流传热效率 町以冇很多于段具体到热光阑问题可以采用:（1）使用热导率较高的冷却液（2）提高冷却液流 最 增加壁面粗糙度c（4）在导流腔

27、关键位置 减小管道曲率半径"（5）在导流腔关键区域缩小 当呈心:径，筲。需注意的是这些强化换热的描施 往往会引起流动阻力增加因而需要提升入口压 力而这将导致系统耐斥耍求提高对于程问题 需综合考虑3光阑设计与仿真3.1光阑设计即便不考虑杂散光问题热光阑设计也必须 解决两个问题即视场外光的处理问题和光阑的 热控问题。3.1.1 视场外光线处理倒锥导流式热光阑的外廓与平板式热光阑近 似 其反光面与光轴垂面夹角为久这样可以把 视场外光线按预定方向反射出去。«值取决于结 构需求，以45。最常见。相对而言，倒锥导流式与 平板式的显苫不同在于倒锥结构,锭体在满足热 控目标的前提下尺寸要尽

28、駅小锥顶角设计为 90。这种设计效果是倒锥部分的反射光占比较 少光线基本沿原方向反射冋主镜=3.1.2光阑热控圆锥式热光阑的恻锥顶端由于有待殊的内 外廓形需求，很难在这个位置设计射流喷嘴，实现 冲击散热。此外，因该热光阑导热路径最长该位 世的温度必然高于周边氏他位世本文从导热方 案和外廓形式两方而衿于，提出倒锥导流式结构 设计方案该结构既町以解决冲击方案的效率问 题.乂消除J'导热路径长的弊端 倒锥导流式光 阑的内部冷却方式为导流式，其通过合理设计冷 却腔的结构使冷却液贴近通光孔内坚高速流动。 这种结构使进入光阑的所冇冷却液都流经通光孔 这一关键区域，从而克服了射流冲击方式在通光 孔附

29、近冷却效率不佳的问题降低了通光孔处的 温度根据上述设计思想设计的热光阑结构如图1 （彩图见期刊电子版）所示。其中图1（a）为仿真 模型，图1（b）为实物图，图1（c）为剖面示意图。 光阑由4部分组成:外壳（灰色）；上盖（绿色）；导 流板（蓝色）;底盖（红色）。外禿零件山低导热材料制成其不仅起到支 撐保护的作用.还能减缓热光阑与环境间的左接 热交换上盖零件的顶面为反射而在通光孔处 设计了一个倒圆锥结构（1（d）红圈处）该结构改 变了光阑温度场的分布，有利于降低通光孔处的591中国光学第】3卷(a) Simulation model(b)咨件实物(b) Machine parts温度。另外，上盖侧

30、壁开有出水口，出水口与光阑 体侧壁表而不垂虫冇一定角度这冇利于光阑体 内部冷却液在流动过程中保持一个切向速度从 而获得均匀冷却效果 导流板分隔顶盖与帐譴形 成的腔体使得所右冷却液均流经通光孔,通光孔 附近的导流腔体具有较小的当量出径和较小的曲 率半往这样的设计提高了此处的冷却效率底 盖设I十冇人水管连接口加后眇F件成品如图1(b) 所示，图中样件为锡青铜材质。(c)別面结构示意(d)上盖(c) Sectional new(d) Loam cake图1 ICDT热光阑结构Fig. 1 Structure of ICDT heat-stopGREGO热光阑也采用了导流技术方案"热 光阑冷

31、却腔内i殳遡了两条丽绕彼此盘旋的螺旋形 导流槽冷却液从入口处沿导流槽逐渐旋转流至 光阑体通光孔附近再沿导流槽旋转流出 光阑结 构如图2(彩图见期刊电子版)所示计算机仿貞 的两种热光阑冷却液的流向、流速如图3(彩图见 期刊电子版)所示。图2 GREGO热光阑模型图Fig 2 GREGO heat-stop model速度ms 切面线(a) ICDT(b) GREGO图3 ICDT热光阑(a)和GREGO热光阑(b)计算机仿真的冷却液流场Fig. 3 Simulated coolant flow fields of (a) ICDT heat-stop and (b) GREGO heat-sto

32、p3.2热光阑结构仿真本文便用Ansys-CFX软件对模型进行求解. 参考实验条件如衣1所示。表1模型求解参数设置Tab. 1 Solution parameter setting for the model设H类型参数入边界20忙冷却水.M15L/min外丧曲边界20 弋空气.15 W m k105 W. /ii£2cmOE为了使仿氏与实测条件一致仿貞热流功率 按，照实测形式(105W)设置。计算机仿真的两种热光阑形式的固液耦合面 对流换热系数分布图如图4所示。由仿真结果 知，倒锥导流式结构在通光孔附近关键位置的对 流换热系数明显高于GREGO结构°计算机仿直得到的两种热

33、光阑形成的农面温 度场分布如图5(b)和5(c)所示，在相同的热流注 入条件下倒锥导流式极限温升为45七，优于 GREGO的极限温升7弋，同时.山温度分布图 町看出：倒锥导流式热光阑的极高温区域距通光 孔冇一定护离而GREGO光阑极高温区紧贴通 光孔。第3期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制#(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图4 ICDT热光阑和GREGO热光阑(b)计算机仿真的固液悶合面对流换热系数分布图Fig. 4 Simulated heat transfer coefficient distributions in solid-liquid coupluig surface of ICDT heat-stop (a) and GREGO heat-stop (b)第3期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制#图5 ICDT热光阑粗糙表面(ICD

35、T光滑表而(b)和GREGO热光阑(c)的计算机仿貞温度场分布图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期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制595为进一步优化热光阑的温控效果研究了导 流腔壁而粗糙度对光阑温控的影响研究发现. 改变导流腔壁面粗糙度町改变固液糾合面的対流 换热系数二者相关性与当就吉径/有关/越 小，粗糙度与固液钢合面导热系数的相

36、关性越明 显 对GREGO结构而de较大,粗糙度变化所 引起的对流换热系数的变化较小而对于倒锥导 流式光阑结构. < 较小.粗糙度改变所产生的影响 非常明显在不改变光阑结构的前提下仅把壁面 粗糙度从光洁(Ra=l pm)增大到粗糙(Ra=100 pm), IA1液耦合面的换热能力就得到明显改售 仿真结 果如图5所示，由图5(a)、图5(b)可知,倒锥导流 式光阑改善明显极限温升从4.5 3：降低到3匕 而GREGO光阑的衣血温度在粗糙度增加后基本 没有变化如图5(c)所示。町见增加导流腔壁面 粗槌度町明显改善倒锥导流式光阑温控效果4光阑温度实测实验为了检杳光阑况下的实际温度与仿真结果 是

37、否一致需要对光阑况卜的温度进行实测.4.1测温方法热光阑悯其特殊性温度测量很困难 采用 任何一种接触式的温度传感器都会对照射能吊形 成遮擇I：扰热就传播因此对于被阳光照射的 光阑表面只能采用非接触测温法若采用非接触 的红外辐射测温法也存在I：扰:阳光照射时阳光 包含红外波段能献这将I：扰测温;此外,热光阑 表面光洁度较高，易反射周闌环境热辐射这也会 对测温结果造成扰因此光阑测温也不能采用 测M红外網射的传统办法需要采用特殊的 手段。温度高于环境的物体在失去能就输入后，温 度会按照指数规律降温，并趋近环境温度。温度 变化如公式所示【。为排除太阳照射的F扰, 设计了太阳光凋制装置便用调制装置屏蔽太

38、阳 光后再进行光阑的温降测员。捕获温度卜降的过 程和温度下降的时间起点，就町以最终通过拟合 方法获得光阑降温前的温度，/(r + d)T = AT0.expI 一-) + 入(6)式中：T为红外辐射测温仪测就的温度值M为对 应的时间值.AT0为光阑体与环境的初始温差. d为调制装置记录到的温度卜降时间起点,r为时 间常数.Ta为环境温度。4.2光阑温度实测方案及测屋结果4.2.1 测温方案实验采用1米口径的菲涅尔透镜对太阳光进 行汇聚以模拟望远镜主镜的效果.适度离焦以调 整光斑大小从而获得需要的功率密度实验装證 如图6所示。实验中所采用的光阑其反光而与 光轴的乖而夹角«为10。这是为

39、了方便安弦辐 射测温装直实验中待汇聚光把光阑体加热至稳 态后控制调制盘遮捋阳光之后红外测温装習 连续拍摄温度场图同时计时装置记录准确的时 间信息。光阑冷却水的流就大于12 Limn时，在阳光 离开光阑后光阑降温较快红外测温设备因具帧 率不足堆以捕捉到光阑完榕的降温变化过程故实验时仅在0.15-1.2 L/min之间安排若T流量进行测温，图6实验装亘及氏示总简图Fig. 6 Experimental device and itrs schematic diagram fortemperature measurement实验时.太阳辆照度为1 050 W/m:,菲涅尔透 镜口径为lm透镜透过率为0

40、.85,同时，为了让 光阑获得更高的温升以方便测量，实验所用热光 阑表面没冇抛光镀膜相反地进行了粗糙化处理. 此时光阑表而吸收率达15%。经计算光斑热流功 率约为105 W.光斑实测大小约为2 cm堆于以上实验条件的实验温升将远高于卑远 镜实际I况实验仅能验证仿真结果4.2.2 实测结果红外测温获得的是灰度图像简称热图.如 图7所示，其中，图7(a)为仿真温度场，图7(b)为 实测温度场.亮度较高处温度较高，为了降低随 机误差在图7(b)中待测位谊附近选取5 pixelx 5 pixel的小区域的温度值进行平均，温度按照式 (5)进行拟合,得到的拟合曲线如图7(c)所示。拟合结果如衣2所示括号

41、中的数值对应的 是95%的置信度区间：本次实验过程中，在图7(b)中选取了 3个位 世进行测温.山内至外距通光孔中心位邑分别为 5 nun(点 l)、12mm(点 2)、19 mm(点 3)。以 1.125 Limn流量条件下点1位置为例进行实 验，宜测结果表明.该处的环境温度为24.6 T：、 光阑体温升为17.6 1：由图7(a)町知.在对应的 位置处计算机仿貞的温升大约是17.8 r,实验 结果与仿真结果大致吻合。(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)仿典温度场(b)实测温度场(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)实测沮度is据点及拟合m(c) Measured temperature data points and fitting curves图7温度场仿真与实测结果Fig. 7 Simulation and measured results

43、 of temperaturefield表2Tab. 2拟合结果Fitting results拟合参数结果17.6(2)r/$038(1)24.6(24224.99)多组流屋（流速）条件b实测温升和数值模 拟温升的结果列于表3。通过对照发现实测温升与仿真模拟彳导到的 温升堆木相同，也就是说在一定的持度要求下仿 貞结果是正确的这就便于在光阑设计参数调整 后通过仿真就能评佔设计结果是否得到优化，而 不用毎次修改参数均进行实测验证"表3实测温升和数值模拟温升结果Tab3 Measured and numerical simulation temperat

44、ure rises流肚L mm点1实测r/m点1模拟r/m点2实测点2模拟 刀代）点3实测 r/m点3模拟 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结论与梵他太阳望远镜光阑设计方案相比，倒供 导流式设计具冇以下儿个特征：（1）顶盖上设计冇倒圆维结构冇利于降低通 光孔处的温度"（2）进入光阑的所有冷却液全都流经通光孔 旁这一关键区域。（3）光阑导水腔结构在

45、通光孔附近的流通哉 面积迅速缩小、强制流体流向发牛变化（减小曲 率半径）、增大腔内粗糙度通过多种手段结合可 有效提高该处固液耦合面的对流换热系数。本文对比阑性能进行了 CFD软件仿戌.设 i I了实验装曲模拟望远镜并对光闌加热 虑于该 装置实现了热光阑温度实测对比模拟和实测实 验於证了数值模拟的町孤性。本文采用数值模拟 对倒链导流式热光阑与GREGO的热光阑进行了 比较结果衣明倒锥导流式热光阑冷却效率明 显真于传统热光阑"在热负载相同的条件卜本 文新光阑极限温升为3 传统光阑的极限温升 为IX.新结构热光阑与传统结构热光阑更帀要 的区别在于，新结构的极限温升位置是离开通光 孔区域的这

46、冇利于坯远镜视宁度的保持。倒锥导流光阑的倒锥结构把小部分焦面附 近阳光反射回主镜方向町能造成新杂散光來源, 采用该光阑方案前还必须经过杂散光评佔。第3期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制#第3期张用辰，等：太阳垫远镜的倒锥导流式热光阑研制597参考文献:1 刘忠，邓元勇，季海生，等中国地基大太阳掘远镜E.中国科学：物理学力学天文学.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

47、echanica & Astionomica. 2012. 42( 12): 1282-1291. (in Chinese)2 LIU Y Y, GU N T, RAO CH H Quantitative evaluation on internal seeing mduced by heat-stop of solar telescope 工. Optics Express. 2015,23(15): 19980-199953 DENKER C, GOODE P R, REN D, et al. Progress on the 1,6-meter new solar telescop

48、e at big bear solar obser vatory J. Pioceedmgs ofSPIE. 2006. 6267: 62670A.4 DIDKOVSKY L V. KUHN J R. GOODE P R Optical design for a new off-axis 1 7-m solar telescope (NST) at big bear J* Proceedings ofSPlE. 2004, 5171: 333-343.5 RIMMELE T R. KEIL S L. KELLER C U. et al. Teclimcal challenges of the

49、advanced technology solar telescope J. Proceeding ofSPIE、2003,4837: 94-1096 WAGNER J. RIMMELE T R, KEIL S, et al. Adx anced technology solar telescope: a progress report 1 J . Proceedings of SPIE. 200& 7012: 701201.BERRILLI F. EGIDI A. DEL MORO D. et al. The heat stop for the 4-m European Solar Telescope ESTTJ". Proceedings ofSPIE. 2010. 7733: 77332