1、第13卷第3期2020年6月Vol 13 No. 3Jun 2020中國&Chinese Optics枇刪U太陽望遠鏡的倒錐導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，賈鋰超，羅宏.太陽望遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制IJI.中國光學, 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中國光學.2018, 11(2): 23

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

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

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

7、inese Optics文章編號 2095-1531( 2020 )03-0586-09太陽望遠鏡的倒錐導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4賈狂超°,羅宏°(1.中國科學院云南天文臺，云南昆明650216；2.中國科學院大學，北京100049；3.云南師范大學云南省光電信息技術(shù)重點實驗室，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:對于大【I徑地基開放式太陽里遠鏡熱光闌溫升將導致其像質(zhì)劣化 尤其是熱光闌通光孔緊挨成像光束其與環(huán) 境的溫度聶對像質(zhì)影響很大,這是中國H型太陽望遠鏡(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題的昇體方法是i殳計帑體冷卻效率高fl在關(guān)鍵位宜得到進一步強化的熱光闌結(jié)構(gòu)以達到溫控 均勻的丨1的 本文提出倒借導流式熱光闌設計方案，該方案有利尸降低通光孔位迓溫度使溫度極島點離開通光孔 對 流換熱系數(shù)和光闌沿度場仿真結(jié)果證明此方案明顯優(yōu)前常用的方法 倒俳導流式熱光閩的極限溫升為3龍.優(yōu)J： GREGO的極限溫升(7 T)；實測溫度場與仿貞溫度場進行對照結(jié)果在i吳差范鬧內(nèi) 結(jié)果證明導流式倒飾結(jié)構(gòu)貝冇較 好的溫控效果.關(guān) 鍵 詞:熱光闌；紅外測溫;CGST預研；導流式;射流沖去中圖分類號:PU1.

9、21；TH691 9文獻標志碼: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基金項目:國家門然科學菇金資助項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：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制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：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制#第3期張用辰，等：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制5891引言太陽物理學理論的發(fā)展與驗證需要高質(zhì)就觀 測數(shù)據(jù)的支撐。為了獲得更好的規(guī)測數(shù)據(jù)中國 太陽物理學界正策劃建設F代大型地基太陽望 遠鏡.即CGST計劃叭 現(xiàn)代望遠鏡I徑的不斷 増大主詭的聚比能力也越來越強為了減輕后端 光學系統(tǒng)的熱HW力需要

17、提前控制或處理掉大口 徑太陽琨遠鏡視場外能就現(xiàn)代大口徑太陽望遠 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F1處安裝視場光闌（也稱為熱光闌）, 熱光闌的作用是隔描視場外光線，對視場外的光 線進行反射或吸收使其不再繼續(xù)傳播。熱光闌位于望遠鏡焦面上僅允許視場內(nèi)光 線通過梵承受的熱載荷很高產(chǎn)牛的熱致湍流效 應也非常明顯 此外由于其與像面互為共馳關(guān) 系視場光闌處產(chǎn)牛的湍流會導致像面抖動、離 焦、像質(zhì)下降等悄況熱光闌由此成為大口徑太 陽里遠鏡熱控的關(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題L1 前冇兩種方案：（1）真空望遠鏡方案，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。 但望遠鏡越大村窗口徑也越大.武承受的大氣斥 力也越大。考慮到大口徑封窗的制造難度以及封 窗對紅外波段的截止.H前最大口徑的太陽即遠 鏡是NVST,其有效口徑為980mm耳一（2）望遠鏡 采用敞開式結(jié)構(gòu)敞開方案需要仔細i殳汁熱光闌 結(jié)構(gòu)控制其溫升保護像質(zhì)。熱光闌吸熱升溫后將通過H然對流方式將熱 就傳遞給附近空氣形成湍流中國科學院成都 光電技術(shù)研究所（簡稱成都光電所）的劉洋毅 等人仿真分析了熱致湍流對成像光束波面的影 響'結(jié)果顯示光闌與空氣溫差越大,熱湍流對成 像光束波面產(chǎn)t的不利影響越嚴朿、影響范圍越 廣。顯然湍流強弱不僅與溫差相關(guān)，更與距離相 關(guān)茨離熱源越近的空氣溫

19、度波動越大熱致湍 流越明顯成像光線在穿過該區(qū)域時，波前會受到 擾導致像質(zhì)劣化 所以熱光闌溫控追求的冃 標是與大氣溫弟小極溫區(qū)域遠離通光孔。根據(jù) 光闌對視場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稱結(jié) 構(gòu)將視場外光線向四周反射.一般需i殳世外圍吸 收體來控制這部分光線;平板式光闌一般將視場 外光線按設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流類。射流沖擊熱光闌是目前大多數(shù)國內(nèi)外開放式 大口徑太陽望遠鏡所采用的形式，如矣國NST熱 光闌、美國DKIST（原ATST）熱光闌、歐洲 EST熱光闌、國內(nèi)成都光電所為CLS

20、T設計的熱 光康和國家天文臺為AIMS設計的熱光闌，在這 種換熱方式中液體在斥差作用卜通過一個圓形 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計陣列 形式的噴口。NST望遠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)驗提出熱控耍求不高 于環(huán)境溫度6七回。對于EST望遠鏡熱光闌, 曾提出兩種結(jié)構(gòu)：一種為平板式，無周闌吸收體; 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。國內(nèi)的CLST 望遠鏡國熱光闌為平板式采用射流沖占結(jié)構(gòu)無 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 光學容卸RMSV25 nm)給岀的溫控指標是不高 于環(huán)境溫度5%：國家夭文臺為AIMS卩】設計的 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-導流熱光闌，冷卻液在光闌體內(nèi)部按設il流 向穩(wěn)定流動光闌各部分逐次冷卻。這種方案比 佼成熟、冷卻效果也不錯，但導流熱光闌近來使 用較少 德國GREGO卑遠鏡采用該方案【叫德 國GREGO卑遠鏡熱

22、光闌為平板式，導流結(jié)構(gòu) 內(nèi)部導流槽是兩條螺旋型彼此闌繞卑于匚程 經(jīng)驗，提出熱控要求不高于環(huán)境溫度6勢叫以上太陽望遠鏡的熱光闌提出的極溫控制 H標不盡相同為達到極高溫度控制I I標,最簡便 的方法是通過提升冷卻液流就和降低冷卻液溫度 實現(xiàn)但均勻溫控需要在熱光闌設計過程中既要 注意極溫的數(shù)值，還要考慮溫度場分布和極溫的 空間位置。之前的研究對光闌溫度場、極溫位置問題沒 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需做進 一步優(yōu)化這是大家冇次關(guān)注到該問題,但還未 提出解決方案 實際I作悄況卜：圓錐尖端處熱 北傳導路徑長；射流沖擊難以對該區(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預研作中本課題組育次提出了 倒錐導流式(Inverted-Cone Diversion Type, ICDT) 熱光闌設計形式。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)通過帀點優(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。2 太陽望遠鏡光闌設計的理論基礎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 射率控制進入光闌的熱就 進入光闌體這部分 熱t(yī)t旨先會在比闌內(nèi)傳導.然后再經(jīng)過周液耦合 面?zhèn)鲗нM入冷卻液，最終被帶走 因此，需要研究 熱

24、量在光闌內(nèi)的傳導和光闌與冷卻液間的固液耦 合傳導這兩個熱就傳導過程均衡二者的效率才 冇機會實現(xiàn)最優(yōu)控溫。2.1熱量在光闌上的傳導熱光闌吸收陽光熱址后產(chǎn)牛溫度梯度，熱就 在光闌體內(nèi)部傳遞，這即為固體內(nèi)部的熱傳導過 稈。根據(jù)傅立葉導熱定律【叫dtd0 = -4cLA,(1)dd式中:0為熱流量以為熱導率;丄為導熱截面積; 羋為溫度梯度;d為熱量傳導路程。ddI:作時,陽光照射于光闌的小局部區(qū)域，而冷 卻液對光闌的冷卻則發(fā)生在一個更大的區(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、擴展。為了降低光闌溫度需要盡快把熱北導人冷 卻液。對于垂直光闌表面?zhèn)鲗У臒崃浚怅@的壁 厚越薄，

25、越有利C而對于在光闌上橫向傳導的熱 量，光闌壁厚一些卻有利丁熱蜃先擴展到較大區(qū) 域然肩導入冷卻液。熱光闌的結(jié)構(gòu)設計是一個尋 優(yōu)的過程倒錐結(jié)構(gòu)不僅縮短了直接傳導路徑同 時擴大了橫向熱傳導的&而積提高了熱就在光 闌體內(nèi)的傳導效率。2.2熱量經(jīng)固液耦合面?zhèn)鬟f到循壞冷卻液 流體力學中常用努塞爾數(shù)M來評估流體對 流傳熱效率,N"定義式為：Nit J斗,（2）式中:h為對流換熱系數(shù).d為圓管內(nèi)徑,z為液體 熱導率。當d、A確定時,由式可知,N”與h成 正比N”越大,力越大，表明流體對流傳熱效率越 高在程應用中應根據(jù)實際悄況選用相應的 Nu經(jīng)驗公式。對于流體在平也圓管道內(nèi)流動的情況引入 G

26、meluiski經(jīng)驗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，“為流速為運動粘度,“為動 力粘度占為定斥熱容。粵慮到光闌內(nèi)腔町簡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.加強固液耦合血的對流傳熱效率 町以冇很多于段具體到熱光闌問題可以采用:（1）使用熱導率較高的冷卻液（2）提高冷卻液流 最 增加壁面粗糙度c（4）在導流腔

27、關(guān)鍵位置 減小管道曲率半徑"（5）在導流腔關(guān)鍵區(qū)域縮小 當呈心:徑，筲。需注意的是這些強化換熱的描施 往往會引起流動阻力增加因而需要提升入口壓 力而這將導致系統(tǒng)耐斥耍求提高對于程問題 需綜合考慮3光闌設計與仿真3.1光闌設計即便不考慮雜散光問題熱光闌設計也必須 解決兩個問題即視場外光的處理問題和光闌的 熱控問題。3.1.1 視場外光線處理倒錐導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 視場外光線按預定方向反射出去。«值取決于結(jié) 構(gòu)需求，以45。最常見。相對而言，倒錐導流式與 平板式的顯苫不同在于倒錐結(jié)構(gòu),錠體在滿足熱 控目標的前提下尺寸要盡

28、駅小錐頂角設計為 90。這種設計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，很難在這個位置設計射流噴嘴，實現(xiàn) 沖擊散熱。此外，因該熱光闌導熱路徑最長該位 世的溫度必然高于周邊氏他位世本文從導熱方 案和外廓形式兩方而衿于，提出倒錐導流式結(jié)構(gòu) 設計方案該結(jié)構(gòu)既町以解決沖擊方案的效率問 題.乂消除J'導熱路徑長的弊端 倒錐導流式光 闌的內(nèi)部冷卻方式為導流式，其通過合理設計冷 卻腔的結(jié)構(gòu)使冷卻液貼近通光孔內(nèi)堅高速流動。 這種結(jié)構(gòu)使進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題降低了通光孔處的 溫度根據(jù)上述設計思想設計的熱光闌結(jié)構(gòu)如圖1 （彩圖見期刊電子版）所示。其中圖1（a）為仿真 模型，圖1（b）為實物圖，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 流板（藍色）;底蓋（紅色）。外禿零件山低導熱材料制成其不僅起到支 撐保護的作用.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 設計了一個倒圓錐結(jié)構(gòu)（1（d）紅圈處）該結(jié)構(gòu)改 變了光闌溫度場的分布，有利于降低通光孔處的591中國光學第】3卷(a) Simulation model(b)咨件實物(b) Machine parts溫度。另外，上蓋側(cè)

30、壁開有出水口，出水口與光闌 體側(cè)壁表而不垂蟲冇一定角度這冇利于光闌體 內(nèi)部冷卻液在流動過程中保持一個切向速度從 而獲得均勻冷卻效果 導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 附近的導流腔體具有較小的當量出徑和較小的曲 率半往這樣的設計提高了此處的冷卻效率底 蓋設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 導流槽冷卻液從入口處沿導流槽逐漸旋轉(zhuǎn)流至 光闌體通光孔附近再沿導流槽旋轉(zhuǎn)流出 光闌結(jié) 構(gòu)如圖2(彩圖見期刊電子版)所示計算機仿貞 的兩種熱光闌冷卻液的流向、流速如圖3(彩圖見 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)計算機仿真的冷卻液流場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軟件對模型進行求解. 參考實驗條件如衣1所示。表1模型求解參數(shù)設置Tab. 1 Solution parameter setting for the model設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為了使仿氏與實測條件一致仿貞熱流功率 按，照實測形式(105W)設置。計算機仿真的兩種熱光闌形式的固液耦合面 對流換熱系數(shù)分布圖如圖4所示。由仿真結(jié)果 知，倒錐導流式結(jié)構(gòu)在通光孔附近關(guān)鍵位置的對 流換熱系數(shù)明顯高于GREGO結(jié)構(gòu)°計算機仿直得到的兩種熱

33、光闌形成的農(nóng)面溫 度場分布如圖5(b)和5(c)所示，在相同的熱流注 入條件下倒錐導流式極限溫升為45七，優(yōu)于 GREGO的極限溫升7弋，同時.山溫度分布圖 町看出：倒錐導流式熱光闌的極高溫區(qū)域距通光 孔冇一定護離而GREGO光闌極高溫區(qū)緊貼通 光孔。第3期張用辰，等：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制#(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)計算機仿真的固液悶合面對流換熱系數(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：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制#圖5 ICDT熱光闌粗糙表面(ICD

35、T光滑表而(b)和GREGO熱光闌(c)的計算機仿貞溫度場分布圖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：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制595為進一步優(yōu)化熱光闌的溫控效果研究了導 流腔壁而粗糙度對光闌溫控的影響研究發(fā)現(xiàn). 改變導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)性與當就吉徑/有關(guān)/越 小，粗糙度與固液鋼合面導熱系數(shù)的相

36、關(guān)性越明 顯 對GREGO結(jié)構(gòu)而de較大,粗糙度變化所 引起的對流換熱系數(shù)的變化較小而對于倒錐導 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 沒有變化如圖5(c)所示。町見增加導流腔壁面 粗槌度町明顯改善倒錐導流式光闌溫控效果4光闌溫度實測實驗為了檢杳光闌況下的實際溫度與仿真結(jié)果 是

37、否一致需要對光闌況卜的溫度進行實測.4.1測溫方法熱光闌憫其特殊性溫度測量很困難 采用 任何一種接觸式的溫度傳感器都會對照射能吊形 成遮擇I：擾熱就傳播因此對于被陽光照射的 光闌表面只能采用非接觸測溫法若采用非接觸 的紅外輻射測溫法也存在I：擾:陽光照射時陽光 包含紅外波段能獻這將I：擾測溫;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 對測溫結(jié)果造成擾因此光闌測溫也不能采用 測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【。為排除太陽照射的F擾, 設計了太陽光凋制裝置便用調(diào)制裝置屏蔽太

38、陽 光后再進行光闌的溫降測員。捕獲溫度卜降的過 程和溫度下降的時間起點，就町以最終通過擬合 方法獲得光闌降溫前的溫度，/(r + d)T = AT0.expI 一-) + 入(6)式中：T為紅外輻射測溫儀測就的溫度值M為對 應的時間值.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間起點,r為時 間常數(shù).Ta為環(huán)境溫度。4.2光闌溫度實測方案及測屋結(jié)果4.2.1 測溫方案實驗采用1米口徑的菲涅爾透鏡對太陽光進 行匯聚以模擬望遠鏡主鏡的效果.適度離焦以調(diào) 整光斑大小從而獲得需要的功率密度實驗裝證 如圖6所示。實驗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 射測溫裝直實驗中待匯聚光把光闌體加熱至穩(wěn) 態(tài)后控制調(diào)制盤遮捋陽光之后紅外測溫裝習 連續(xù)拍攝溫度場圖同時計時裝置記錄準確的時 間信息。光闌冷卻水的流就大于12 Limn時，在陽光 離開光闌后光闌降溫較快紅外測溫設備因具幀 率不足堆以捕捉到光闌完榕的降溫變化過程故實驗時僅在0.15-1.2 L/min之間安排若T流量進行測溫，圖6實驗裝亙及氏示總簡圖Fig. 6 Experimental device and itrs schematic diagram fortemperature measurement實驗時.太陽輛照度為1 050 W/m:,菲涅爾透 鏡口徑為lm透鏡透過率為0

40、.85,同時，為了讓 光闌獲得更高的溫升以方便測量，實驗所用熱光 闌表面沒冇拋光鍍膜相反地進行了粗糙化處理. 此時光闌表而吸收率達15%。經(jīng)計算光斑熱流功 率約為105 W.光斑實測大小約為2 cm堆于以上實驗條件的實驗溫升將遠高于卑遠 鏡實際I況實驗僅能驗證仿真結(jié)果4.2.2 實測結(jié)果紅外測溫獲得的是灰度圖像簡稱熱圖.如 圖7所示，其中，圖7(a)為仿真溫度場，圖7(b)為 實測溫度場.亮度較高處溫度較高，為了降低隨 機誤差在圖7(b)中待測位誼附近選取5 pixelx 5 pixel的小區(qū)域的溫度值進行平均，溫度按照式 (5)進行擬合,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

41、中的數(shù)值對應的 是95%的置信度區(qū)間：本次實驗過程中，在圖7(b)中選取了 3個位 世進行測溫.山內(nèi)至外距通光孔中心位邑分別為 5 nun(點 l)、12mm(點 2)、19 mm(點 3)。以 1.125 Limn流量條件下點1位置為例進行實 驗，宜測結(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.在對應的 位置處計算機仿貞的溫升大約是17.8 r,實驗 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(b)實測溫度場(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)實測沮度is據(jù)點及擬合m(c) Measured temperature data points and fitting curves圖7溫度場仿真與實測結(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實測溫升和數(shù)值模 擬溫升的結(jié)果列于表3。通過對照發(fā)現(xiàn)實測溫升與仿真模擬彳導到的 溫升堆木相同，也就是說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計參數(shù)調(diào)整 后通過仿真就能評佔設計結(jié)果是否得到優(yōu)化，而 不用毎次修改參數(shù)均進行實測驗證"表3實測溫升和數(shù)值模擬溫升結(jié)果Tab3 Measured and numerical simulation temperat

44、ure rises流肚L mm點1實測r/m點1模擬r/m點2實測點2模擬 刀代）點3實測 r/m點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)論與梵他太陽望遠鏡光闌設計方案相比，倒供 導流式設計具冇以下兒個特征：（1）頂蓋上設計冇倒圓維結(jié)構(gòu)冇利于降低通 光孔處的溫度"（2）進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）光闌導水腔結(jié)構(gòu)在

45、通光孔附近的流通哉 面積迅速縮小、強制流體流向發(fā)牛變化（減小曲 率半徑）、增大腔內(nèi)粗糙度通過多種手段結(jié)合可 有效提高該處固液耦合面的對流換熱系數(shù)。本文對比闌性能進行了 CFD軟件仿戌.設 i I了實驗裝曲模擬望遠鏡并對光闌加熱 慮于該 裝置實現(xiàn)了熱光闌溫度實測對比模擬和實測實 驗於證了數(shù)值模擬的町孤性。本文采用數(shù)值模擬 對倒鏈導流式熱光闌與GREGO的熱光闌進行了 比較結(jié)果衣明倒錐導流式熱光闌冷卻效率明 顯真于傳統(tǒng)熱光闌"在熱負載相同的條件卜本 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通光 孔區(qū)域的這

46、冇利于坯遠鏡視寧度的保持。倒錐導流光闌的倒錐結(jié)構(gòu)把小部分焦面附 近陽光反射回主鏡方向町能造成新雜散光來源, 采用該光闌方案前還必須經(jīng)過雜散光評佔。第3期張用辰，等：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制#第3期張用辰，等：太陽墊遠鏡的倒錐導流式熱光闌研制597參考文獻:1 劉忠，鄧元勇，季海生，等中國地基大太陽掘遠鏡E.中國科學：物理學力學天文學.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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