利用数值风洞实验进行KDUST圆顶的风载研究

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	利用数值风洞实验进行KDUST圆顶的风载研究
	徐江海
学位类型	硕士
导师	宫雪非
	2016-05
学位授予单位	中国科学院研究生院
学位授予地点	北京
关键词	数值风洞实验折叠式天文圆顶大气湍流脉动风速谱 Kdust
摘要	天文学作为世界上最古老的一门自然科学，也被称为“观测的科学”，它需要借助天文望远镜等观测装置和设备，收集和分析来自广袤宇宙空间的电磁辐射信息，从而不断发现新现象，推断新规律，探索未知领域。而作为天文望远镜不可分割的一部分—天文圆顶，也堪称大型精密结构设计与研制的典范。天文圆顶是望远镜赖以存身的场所和正常观测的保障，主要功能在于保障内部望远镜免遭光照、冰雪、风载、灰尘等的侵害，其结构形式的合理性将直接影响到天文观测的效率和精度。论文主要以高寒冰雪的典型代表——南极Dome A地区为背景环境，通过数值风洞模拟的方式，研究了南极风载对于2.5米光学/红外望远镜KDUST及其天文圆顶的影响，为未来望远镜及其圆顶的详细设计提供参考。首先，论文通过平均风入口作为边界条件，对四种常见的天文圆顶的结构形式进行建模并展开数值风洞模拟实验，根据实验的结果，得出了四种天文圆顶在风载作用下的响应，总结了各种形式圆顶的适用性，为在Dome A 地区建设KDUST及其圆顶提供基础，其结果表明： (1) 封闭性较好的经典形式和球形圆顶可以有效地减小望远镜附近风速和湍动能，降低风载振动给天文观测带来的不利影响； (2) 而柱式和蚌壳折叠式圆顶由于通风性更好，有利于圆顶内部温度平衡，圆顶内的视宁度相对较好； (3) 柱式圆顶由于迎风面与风速垂直，导致所受峰值风压最大，对圆顶结构强度要求较高。其次，论文介绍了中国南极天文台项目的重大意义和实施进展，并着重介绍了南极天文台项目中的一台主要设备——2.5 米光学/红外望远镜KDUST，包括其重要的附属部分：天文圆顶，确定了论文接下来的研究重点，即通过数学方法将不同高度的低频脉动风转化为具有相同脉动特性的高频脉动风，并借助数值风洞模拟实验，研究KDUST 的天文圆顶处于不同的工作状态对于望远镜及其天文观测的影响，包括主导风向、折叠式圆顶张开角度和KDUST 望远镜仰角变化时，望远镜周围的风速、湍动能，视场方向的光程差和圆顶视宁度的响应。结果表明: (1) 主导风向的改变对于镜面附近的风速和湍动能的影响比较大，但对于光程差和圆顶视宁度的影响比较小； (2) 当望远镜仰角一定时，最大光程差随着圆顶张开角度增大而增大；当圆顶张开角度一定时，最大光程差随着KDUST望远镜仰角的增大而减小； (3) 当望远镜仰角一定时，圆顶视宁度随着圆顶张开角度的增大而减小；当圆顶张开角度一定时，圆顶视宁度随着望远镜仰角增大而减小。论文阐述了天文学、天文望远镜和天文圆顶的发展概况和本课题研究的背景，国内外针对高寒冰雪环境的天文圆顶的研究现状，进而介绍了南极天文发展和中国南极天文科考的艰辛历程，深刻地探讨了本课题的研究意义和目的，并介绍了论文的主要研究基础。论文在利用计算机开展数值风洞实验的过程中，主要有以下几个创新点： (1) 在根据南极实测风速数据研究KDUST 圆顶工作状态时，首次采用沿高度方向变化的风速时程曲线作为风速入口边界条件，既考虑了脉动风的时间相关性，又兼顾了空间相关性； (2) 在利用南极实测风速数据作为分析依据时，由于南极气象观测站软硬件条件限制，获取的风速数据采样频率为 0.1Hz，远远低于数值风洞模拟实验所需要的输入条件。因此，作者利用脉动风速谱理论，将原始低频脉动风速通过一定的数学手段，转化为满足相同功率谱特性的高频脉动风，继而进行后续的数值风洞模拟实验； (3) 首次利用数值风洞实验特有的多种可视化工具，得出KDUST 圆顶内外的风速、湍动能、光程差、视宁度等有价值的信息，为确定圆顶形式及圆顶的最佳工作状态提供参考。
学科领域	天文技术与方法
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/1292
专题	学位论文
作者单位	南京天文光学技术研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	徐江海. 利用数值风洞实验进行KDUST圆顶的风载研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2016.