地基光學望遠鏡總是被空氣包裹著，如果不采取一定的措施，空氣會影響望遠鏡的觀測性能與設備安全，但我們也可以利用空氣改善望遠鏡的觀測環境。近期發生的虎門大橋振動事件便是空氣流動危害設備的安全的例子。本文將介紹空氣流動對于天文望遠鏡圓頂的影響。
地基光學天文望遠鏡通常有圓頂保護其免受外界風雨侵害。但由于圓頂內各儀器的發熱和圓頂對內部空氣的“保溫”，引起圓頂內溫度不均勻，導致空氣折射率變化，即圓頂視寧度（Dome seeing）變差，降低了望遠鏡觀測精度和效率。
圓頂通風是解決這一問題的有效途徑，可有效促進圓頂內外的空氣流通，改善圓頂視寧度。除此之外，現代光學天文望遠鏡的口徑越來越大，望遠鏡圓頂也隨之增大。我國2.16米望遠鏡圓頂外直徑為23米[1]。我國參與的三十米望遠鏡 (Thirty Meters Telescope, TMT)圓頂內部直徑達57米[2]。圓頂的體積越大散熱越慢，使得圓頂通風尤為重要。
圓頂自然通風
在圓頂外壁開通風孔是圓頂通風的有效方法之一，利用對稱的通風孔形成“穿堂風”，具有散熱快、成本低等優點。近年來將要建設的大型望遠鏡也無一例外的設計了圓頂自然通風窗孔。例如，TMT望遠鏡在圓頂外壁設置了3層共97個通風孔，歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope, E-ELT) [3]設置了3層共48個通風孔。
圖1 TMT與E-ELT的圓頂圖片來源tmt.org，eso.org
如何在施工前知道圓頂通風效果的好壞呢？計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics ，CFD)方法提供了圓頂通風研究的便利手段，可通過計算機仿真輔助和驗證圓頂通風的設計。根據圓頂的結構和通風要求進行通風孔數量與尺寸的設計，并結合當地氣象數據進行仿真驗證，優化通風孔的布局。
通過CFD仿真分析的結果，我們可以得到圓頂內外達到熱平衡的時間（圖2）、風速（圖3）等關鍵參量的分布，直觀顯示風的走向（圖4）并對比不同通風孔設計的自然通風效果（圖5）。此外，經過簡單的處理后還可以得到圓頂視寧度的仿真值，以便于評價圓頂通風設計。
圖2 根據圓頂內部的溫度變化，判斷達到熱平衡時間
圖3 圓頂內部的風速變化
圖4 圓頂區域的風向流動跡線[4]
圖5 圓頂自然通風效果對比，上圖為沒有通風孔的情況，溫度降低較慢
圓頂主動排風系統
自然通風方式在無風或風速較小的情況下效果不明顯，因此大型望遠鏡圓頂內通常有主動排風系統，與制冷系統一起可在白天進行制冷或換氣。夜間觀測時，若無自然通風孔或外界自然風較弱時，啟動主動排風將圓頂內的熱空氣排出。雙子座（Gemini）望遠鏡是一臺同時具有自然通風孔和主動排風系統的望遠鏡（圖6），圓頂外空氣由自然通風孔和天窗進入，主動通風系統位于地板下面，促進空氣流動，將圓頂內空氣排出室外。
圖6 雙子座望遠鏡的通風示意圖[5]
主動排風的設計需要考慮排風管道位置、大小和風機風量等因素。為了避免望遠鏡抖動，還需要考慮望遠鏡的風載和光路范圍內的湍流情況。
圖7 主動排風的仿真分析，風速分布圖[6]
圖8 主動排風系統流動示意圖
卡門渦街的啟示
近期發生的虎門大橋振動現象受到廣泛關注（見圖9）。經過調查，在特定的風況條件下會誘發懸索橋發生抖動。
圖9 虎門大橋的振動
虎門大橋振動事件便是空氣流動危害設備安全的例子之一。望遠鏡的圓頂通常為圓柱形，而流體在一定條件下經過圓柱體時會產生卡門渦街[7]，對物體產生如圖10所示的周期性作用力，造成物體一定程度的損壞。
圖10 圓柱繞流現象的仿真
卡門渦街是流體力學中一個重要的現象，在自然界中常可遇到。圖11是位于大西洋的西班牙加那利群島和馬德拉島引起的卡門渦街現象。
圖11 西班牙加那利群島和馬德拉島上空的卡門渦街。圖片來源：earthobservatory.nasa.gov
卡門渦街的產生與風速和建筑外形、尺寸有關，其帶來的影響可能是微弱的振動。以往的望遠鏡圓頂建筑設計通常僅考慮了最大工作風速，忽略了振動的問題。圓頂導軌等結構部件的異常損壞很可能就與該問題有關。
隨著流體力學的不斷發展，相信圓頂的通風設計會不斷完善，并在我國未來大型光學望遠鏡建設項目中發揮重要作用。
參考文獻
1. 蘇定強. 2.16 m 天文望遠鏡工程文集. 北京: 中國科學技術出版社, 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.興隆2.16米望遠鏡圓頂吊裝通道通風研究. 天文研究與技術,2020,17(02)
7. Von Karman T. über den Mechanismus des Widerstandes, den ein bewegter K rper in einer Flüssigkeit erf hrt. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu G ttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse, 1911, 1911: 509-517.
作者:李陶然，理學博士，中國科學院國家天文臺工程師，主要研究領域為觀測臺站布局和環境控制。
