[发明专利]基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置

摘要

本发明提供一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，该装置由进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道等六部分组成，该大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置根据流体连续性和射流冷却原理，极大地提升了热视场光阑冷却装置的冷却效率，克服了传统采用强制水冷的热视场光阑冷却装置所需冷却液流量较大，冷却后温度分布不均等不足。本发明的热视场光阑冷却装置，具有较高的冷却效率，仅需较低的冷却液流量即可达到较好冷却效果，同时，冷却后光阑表面温度更低，且分布更加均匀，进一步减小了热视场光阑工作过程中对空气视宁度的破坏，有效地提升了望远镜成像像质。

主权项

1.一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于，该装置包括进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道，其中：压力腔与进液管道直接相连，根据具体结构设计的需要，压力腔能够是多个相互独立式，即每个压力腔仅与一个进液管道相连，也能够是一个整体式，即一个压力腔与多个进液管道相连；喷管是由数个口径较小的通孔组成，位于压力腔与射流腔之间，其具体数量和分布均根据具体设计的结构、温控目标，系统的承压能力综合决定，但与同一压力腔相连的喷管总截面积不应大于与该压力腔相连的进液管总截面积；射流腔是冷却系统的核心，其腔体形状将因热视场光阑反射面不同而变化，但其位于热视场光阑反射面板背侧且尽可能靠近热源；出液口直接与射流腔相连，均布于射流腔边缘；该装置工作过程如下：首先，低温冷却液从各进液管道以一定流速注入压力腔，其中，压力腔与一个进液管道和多个喷管相连；对压力腔，设进液管道总截面积为A1，进液速度为V1，与其相连的多个喷管总截面积为A2，其中，A2＜A1，射流速度为V2；根据流体连续性方程，则V2=V1×A1/A2；由于A2＜A1，则V2＞V1，形成了结构对流体的局部加速效应，形成高速冷却液，高速冷却液通过与压力腔相连的多个喷管直接冲击位于反射面板背侧的射流腔；设高速冷却液自喷管中出射速度为u_e，喷管直径为D，冷却液该温度下运动学粘度为v，不同下的被冲击物体表面局部雷诺数Re_D和局部努赛尔数Nu_D，分别满足方程：ReD=ueDv---(1)]]>NuD=hrDλ---(2)]]>然后，由于反射面板的阻挡，冷却液向四周散开，形成帖壁射流区，该区域内的局部平均努赛尔数Nu_D表示为以下公式：(NuD)m=2ReD0.5Pr0.42(1+0.005ReD0.55)0.51-1.1D/r1+0.1(H/D-6)D/rDr---(3)]]>上式也能够表示为以r作为特征长度的Nu数的形式，并求得平均对流换热系数h_m：hmDλ=(Nur)m=2ReD0.5Pr0.42(1+0.005ReD0.55)0.51-1.1D/r1+0.1(H/D-6)D/rDr---(4)]]>取定性温度为(t_w+t_∞)/2，其中，实验验证范围为：2×10³≤Re_D≤4×10⁵,2≤HD≤12,2.5≤rD≤7.5]]>通过上式，求得贴壁射流区产生的较高的平均对流换热系数h_m；该值通常为液体强制对流换热系数的数倍到数十倍，使得反射面板所吸收的绝大部分太阳辐射热流q被冷却液迅速带走，且不产生较大的温差；最后，冷却液通过与射流腔相连的出液通道流出；利用该装置并通过上述过程，即能够实现对大口径地基太阳望远镜热视场光阑的高效冷却。