大型射电望远镜台址风场分析与模拟调控

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伴随着人类历史的发展和科学技术的进步,射电望远镜观测技术的进步强有力地促进了天文学的发展,并成为其发展的主要动力之一。望远镜结构的反射表面积是射电望远镜性能的重要指标之一,口径尺寸更大的射电望远镜可以观测到更多和更远的天体。世界上目前已建成的最大口径全可动射电望远镜是美国2000年建成的绿岸射电望远镜(GBT,口径100×110m),现阶段我国最大口径的全可动射电望远镜是上海天文台建造的65米口径射电望远镜,新疆天文台拟在新疆奇台县建设世界最大口径的全可动射电望远镜110米口径全可动射电望远镜(QTT)。QTT反射面面积和自身重量都十分巨大、实际工作工况多样(俯仰角、风向角的变化等等)且为实现良好的观测性能必须达到很高的精度要求,但自然环境中风荷载对望远镜反射面的作用会降低反射面形状拟合的精度,导致偏焦和指向误差,使得望远镜的灵敏度及分辨率降低,严重制约其工作性能,因此降低风扰动对天线的影响是十分必要且迫切的。完成的工作具体如下:(1)针对大型射电望远镜工作性能受到环境因素影响的问题,归纳了大型射电望远镜受环境影响的主要因素。从大型射电望远镜抗风扰设计的角度,总结了到目前为止大型射电望远镜受到风扰影响的研究方法及研究现状。继而从大气边界层风环境研究角度,梳理了主流的大气边界层风环境研究方法,总结了国内外在不同地形地貌下的风环境研究现状;(2)面对即将于新疆奇台县开展建设的QTT 110米口径全可动射电望远镜的高精度设计要求,分析了QTT台址地形特点以及风场观测规律,提出了QTT台址的大型射电望远镜风场分析与模拟调控总体方案。进一步搭建了针对望远镜台址风场分布与调控的微缩模型等效风场试验,分析试验数据,给出了经风场调控后模型内低风速区范围,以及区域内风速降低约75%,确定了风场分析与模拟调控总体方案的可行性,并为后续计算机数值模拟在台址风场分布调控方面的应用提供了技术依据;(3)为实现更加有效的望远镜台址风场计算机数值模拟,利用地形曲面自动生成技术,应用GIS软件从台址数字高程模型中提取了点云坐标文件,编写并运行Java程序将其转化为了指令控制文件,最终导入Gambit生成了台址地形实体模型并进行了相应的前处理操作,从而实现了QTT台址从数字高程模型到地形实体模型的转化。得到了高拟合度的QTT台址地形实体模型,解决了地形实体模型手动建模导致的复杂、低效且拟合度低的问题,并将大大提高计算机数值模拟结果的有效性;(4)根据计算机数值模拟的基本理论和方法,利用ANSYS软件内置的Fluent模块,分析了自然条件下在不同环境风速时望远镜所在位置处的风场分布及随高度变化时的风场变化规律,继而结合QTT台址风场数值计算结果以及当地自然地理环境,拟定了台址风场调控措施,进一步对施加了调控措施的QTT台址进行了风场数值模拟,分析了在施加调控措施后在不同环境风速时望远镜所在位置处的风场分布以及随高度变化时的风场变化规律,发现了风场分布调控措施可以在望远镜所在低空区域形成较大的低风速区,使低空区域的风速降低60%~20%,证明了风场调控总体方案与调控措施的有效性,同时也说明了此方法在工程实际中将具有显著的应用价值。
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