这篇文档属于类型a，即单项原创研究报告，其内容如下：

作者与研究背景

本文的主要作者包括 Konstantinos Vogiatzis, Doug MacMartin, Lianqi Wang 和 Gelys Trancho，他们均隶属于 TMT International Observatory（TIO，三十米望远镜国际天文台），研究报告发表在 Proc. of SPIE Vol. 13099，并定于 2024 年出版。这项研究聚焦于 TIO 的空气热力学（aerothermal）效应建模与系统工程优化，旨在提升天文观测的图像质量（Image Quality, IQ），通过更新的仿真模型与高精度分析工具改善极大望远镜系统的性能预估。

研究的背景在于空气热力学效应是影响望远镜图像质量的主要因素之一，尽管三十米望远镜（Thirty Meter Telescope, TMT）的罩体外形与尺寸在过去十年中几乎没有变化，但系统设计的精度要求显著提升，包括对望远镜的几何结构、子系统的微小修改以及能量和热耗散预算的更新。为此，本文提出改进 TIO 计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模型、更新边界条件定义，并通过统计分析评估热与风扰动效应对系统性能的影响。

详细研究流程

1. 模型和工具的开发与改进

研究的核心是 TIO 空气热力学模拟框架的构建，框架包括以下几个重要模块： - 计算流体动力学模型（CFD Models）：用于模拟热传递系数和风载荷对望远镜系统各部件的影响。 - 热网络模型（Thermal Network Models）：通过辐射属性和热通量的估算优化望远镜外罩以及周边设施的热力管理。 - 热结构模型（Thermal FEA Models，用有限元分析方法）：用于评估因热变形引起的光学元件和整体结构性能变化。 - 统计分析工具（Stochastic Framework）：综合各模块输出，通过多维矩阵形式构建系统状态的查找表，以获得全系统性能参数，如点源灵敏度归一化指标（Point Source Sensitivity Normalized, PSSN）。

CFD 模型的几何结构与入口参数设置经过多次修改，新增的功能包括对零风速及浮力驱动效应的模拟、组件抖动分析以及夜间温度变化过程的测算。通过引入时间维度，这些模拟在望远镜不同俯仰角（例如 0°、30° 和 65°）、相对于风向的不同方位角（0° 至 180°）以及五种风速下（0 至 15 m/s）运行，以生成综合性能查找表。

2. 仿真分析与实验设计

为了系统化分析热力边界条件的敏感性，研究设计了一系列数值实验： - 在不同夜间时段（如日落后一小时、中夜、夜末）规定各表面与环境温度的差异，详细参数载列于本文表 1 中。 - 为避免所有组合的过高计算成本，研究选取关键情景进行模拟，涵盖了热与风扰动性能表现的极值范围。 - 对关键平台与部件的几何处理进行敏感性研究，例如 M1 主镜平台的孔隙率假设对热湍流（thermal seeing）表现的影响，以及分段镜的间隙引入对热光学变形的贡献。

此外，研究对望远镜的分析分辨率进行了探索。例如中穹体区域通常采用粗网格（4 cells/m），但研究引入更高分辨率（64 cells/m）的插值方法明确了网格分辨率对热湍流预估的影响。

主要研究结果

1. 夜间温度变化效应

仿真结果揭示了夜间温度变化对望远镜性能的复杂影响： - 夜间中段的 PSSN 值往往最佳（0.96），主要归因于白天空调系统的良好调控使望远镜结构接近日间环境温度。 - 夜初的负温差比夜末的正温差影响更温和，只要表面温差未过大，热湍流表现可保持较高的稳定性。

2. 热平台与组件几何敏感性

关于 M1 主镜平台的研究表明，完全去除平台（假设100%孔隙率）显著降低了热湍流，但增加了间隙对风载扰动性能的负面影响较小。此外，增强分段镜细节的有限元建模虽增加了计算复杂度，但对性能结论的影响有限。

3. 系统综合性能预估

利用统计框架结合 CFD 与实验数据，研究给出了不同模式下的误差预算（表 5）。例如在自适应光学（AO）模式下，总均方根波前误差（RMS WFE）为 31.5 nm，其中热湍流与分段动态位移分别贡献最大，但风抖动效应得到较好控制。

4. 子系统支持

望远镜子系统的模拟输出包括热对流传热系数（HTC）和值矩阵，以及风载引起的运动特性分析。例如激光发射望远镜（LLT）的风抖动效应经过滤波处理后，得出在特定刚性系数下可忽略的小角度运动。

研究结论与意义

研究通过对望远镜空气热力学效应的综合建模，成功更新了系统级性能预估方法，提出了更优化的透气策略并构建了支持子系统设计所需的新型输出数据。论文还验证了部分较保守假设的冗余性，为后续性能优化提供了一定的余量。

这项研究的重要价值体现在以下几方面： 1. 科学意义：改进的热湍流与空气动力学效应模型提高了三十米望远镜系统整体性能的精确性，为其未来的高精度观测提供了扎实基础。 2. 应用意义：通过更精确的热力管理，对空气动力效应的优化为控制大型望远镜的风振动和热变形问题提供了解决方案，助力其精准成像。

研究亮点

这项研究拥有以下几个显著亮点： - 模型创新：将高保真 CFD 仿真与多维统计框架相结合，可以同时处理复杂几何和时间动态效应。 - 方法精进：细化的热传导模型和提高的分辨率插值方法显著增强了系统性能预估。 - 实用应用：拓展了对望远镜各子系统设计的直接支持，例如风载引起的子系统抖动分析和热控制策略优化。

其他重要内容

该研究还为望远镜的集成系统工程提供了模型方法与构造框架的参考，为未来大天文设备的设计与建模奠定了理论与实践基础。