随着望远镜口径的增大, 主镜热惯性增大, 主镜温度相对于环境温度的滞后性引起反射面热边界层形成热湍流波动, 严重影响望远镜成像质量。介绍了一种基于CFD仿真和光程差累积的计算方法评估主镜反射面热边界层的湍流波动对成像质量的影响。以3.0 m口径的主镜为例, 仿真计算了自然对流下和强迫对流下不同温升的反射面热边界层分布, 将热边界层的流场参数转化成折射率场分布, 采用光程差累积法得到反射面热边界层的成像质量。结果可以定量地描述反射面热边界层对成像质量的影响; 验证了现有天文观测要求主镜反射面与环境温差小于±2 K的合理性; 同时证明了主镜反射面热控措施使得强迫对流下的光程差比自然对流下的下降了一个数量级, 显著提高了主镜视宁度, 进一步表明反射面热控措施对改善成像质量具有重要意义。

综合考虑非线性气温环境和主镜视宁度表面“气刀”强制对流换热，对地基望远镜主镜瞬态温度场理论模型进行研究，结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。以4 m主镜为例，运用温度场理论模型解析解，对主镜视宁度进行了分析计算。分析了“气刀”对主镜视宁度的改善效果；讨论了“气刀”风速与主镜视宁度的关系；分析了不同径厚比对主镜视宁度的影响。利用有限元方法分析4 m主镜温度场，与所推导的温度场理论结果进行比较，二者获得了较好的一致性。主镜温度场理论解在望远镜主镜设计中具有普适的应用价值。

提出了地基望远镜主镜在环境温度变化时的温度场理论模型，结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。运用温度场理论解，分别以熔石英和BK7两种常用材料为例，在特定环境条件下,定量分析了传统主镜和薄主镜的主镜视宁度与主镜口径之间的关系；针对4 m口径的传统主镜和薄主镜定量分析了其主镜视宁度与周围空气温度下降斜率的关系。地基望远镜主镜温度场理论计算的结果在主镜设计阶段对主镜视宁度的估量具有较大的参考价值。主镜温度场理论解还可以运用于各种口径及材料的主镜热变形及热应力计算等方面，具有普适的参考价值。