本发明涉及高速气流冲击下液滴变形破碎的观测领域，具体为一种基于型线方程设计的观测玻璃。
背景技术：
暴露于高速气流中的液滴会发生变形破碎，这种现象广泛存在于日常生活和各类工程实践中。例如，液体介质的大范围抛洒，燃料射流在燃烧室中的二次雾化以及高速飞行器表面的雨滴侵蚀防护等。液滴破碎过程和破碎机理的深入研究，对改善工业设计(提升发动机性能、改进高速飞行器外形等方面)有着重要的意义。
高速气流下液滴变形破碎的实验观测是研究这一现象的第一手资料，对液滴变形破碎模式的甄别、液滴雾化后粒径分布的预测、数值研究的验证以及液滴变形破碎机理分析等后续研究起着至关重要的作用。现有用于高速气流下液滴变形破碎的观测玻璃大多为平行玻璃。在光源覆盖面积较小时，透过的光线平行度较好，观测液滴一般会出现图1中的效果，由于大部分平行光在液滴表面产生折射后无法进入高速摄影相机镜头图3，使得液滴大部分观测为黑色，只有中心处有一小面积亮斑，不利于观测变形破碎时液滴中部区域的具体细节变化。而当光源覆盖面积较大时,投过平行玻璃的光线平行度下降，这时观测液滴会出现图2中的效果，有效增大了液滴内亮斑的面积，可以观测到液滴中部区域的更多细节变化。由于增大光源面积、保证光源强度对光源设备的要求较高，需耗费较高的经济成本，如何在保持原有光源设备基础上提升液滴变形破碎观测效果，是一项具有挑战性的课题。设计基于型线方程的观测玻璃正是解决这一课题的一种有效途径。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种基于型线方程设计的观测玻璃，以解决上述背景技术中提出的问题。
一种基于型线方程设计的观测玻璃，包括激波管，所述激波管横截面为矩形，激波管包括激波管被驱动段和激波管驱动段，所述激波管驱动段与激波管被驱动段之间设有膜片，所述膜片右侧设有实验观察窗，所述实验观察窗上方设有液滴生成装置，所述实验观察窗侧方设有led光源，所述实验观察窗侧方设有高速摄影相机镜头，所述高速摄影相机镜头右侧设有激光笔，所述液滴生成装置下方与led光源之间设有玻璃，所述玻璃包括平行玻璃和弧形玻璃，所述玻璃中部为平行玻璃，平行玻璃两侧连接有弧形玻璃。
优选的，所述平行玻璃与弧形玻璃之间光滑过渡。
优选的，所述弧形玻璃满足型线方程。
优选的，所述膜片外接有电控破膜装置，所述电控破膜装置包括电火花发生器和液滴探测实验装置，电火花发生器和液滴探测实验装置通过延时器连接，所述电火花发生器外连接有短路开关、镍铬合金丝和火花电极，所述液滴探测实验装置包括光电二极管和电阻。
优选的，所述激光笔发射出的激光照射在光电二极管上。
优选的，所述膜片材质为涤纶，厚度为25μm-100μm，所述膜片表面粘贴有镍铬合金丝。
本发明的有益效果：该玻璃在高速气流冲击下液滴变形破碎的观测领域兼顾有清晰观测液滴中心区域和外轮廓细节变化的优点，比原有的平行玻璃的观测效果有一定的提升。
附图说明
图1为背景技术中所述的光源覆盖面积较小时平行玻璃观测到的液滴。
图2为背景技术中所述的光源覆盖面积较大时平行玻璃观测到的液滴。
图3为背景技术中所述的平行光透过液滴的光路示意图。
图4为具体实施例所述的平行光透过基于型线方程设计的玻璃的光路示意图。
图5为具体实施例所述的激波管结构图。
图6为具体实施例所述的液滴生成装置示意图。
图7为具体实施例所述的电控破膜装置电路示意图。
图8为具体实施例所述的激波管中气路示意图。
图9为具体实施例所述的基于型线方程设计的玻璃观测到的液滴。
图10为具体实施例所述的型线方程涉及的计算尺寸示意图。
其中：11、亮斑一；12、亮斑二；1、平行光线；2、液滴；21、平行玻璃；22、弧形玻璃；31、电控破膜装置；32、光电二极管；33、led光源；34、激波管驱动段；35、膜片；36、高速气流；37、激波；38、实验观察窗；39、激光笔；310、激波管被驱动段；41、阀门一；42、储液罐；43、点胶针头；5、高速摄影相机镜头；51、电火花发生器；52、线圈；53、桥式整流器；54、稳压器；55、电容；56、火花电极；57、5v晶体管-晶体管逻辑电平；58、高压包；59、镍铬合金丝；510、短路开关；511、延时器；512、电阻；513、液滴探测实验装置；514、激光束；61、氢气罐；62、氮气罐；63、阀门二；64、预混气罐；65、真空泵；73、液滴背风面起皱现象；74、不稳定波；75、液雾。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于型线方程设计的观测玻璃，包括激波管，所述激波管横截面为矩形，激波管包括激波管被驱动段310和激波管驱动段34，所述激波管驱动段34与激波管被驱动段之间设有膜片35，所述膜片35右侧设有实验观察窗38，所述实验观察窗38上方设有液滴生成装置，所述实验观察窗38侧方设有led光源33，所述实验观察窗38侧方设有高速摄影相机镜头5，所述高速摄影相机镜头5右侧设有激光笔39，所述液滴生成装置下方与led光源33之间设有玻璃，所述玻璃包括平行玻璃21和弧形玻璃22，所述玻璃中部为平行玻璃21，平行玻璃21两侧连接有弧形玻璃22。
在本实施例中，所述平行玻璃21与弧形玻璃22之间光滑过渡。
在本实施例中，所述弧形玻璃22满足型线方程。
在本实施例中，所述膜片35外接有电控破膜装置31，所述电控破膜装置31包括电火花发生器51和液滴探测实验装置513，电火花发生器51和液滴探测实验装置513通过延时器511连接，所述电火花发生器51外连接有短路开关510、镍铬合金丝59和火花电极56，所述液滴探测实验装置513包括光电二极管32和电阻512。
在本实施例中，所述激光笔39发射出的激光照射在光电二极管32上。
在本实施例中，所述膜片35材质为涤纶，厚度为25μm-100μm，所述膜片35表面粘贴有镍铬合金丝59。
具体工作原理及步骤：本发明提供一种基于型线方程设计的观测玻璃。该观测玻璃的外形包括平行部分以及弧形部分，如图4为平行光透过基于型线方程设计的玻璃的光路示意图，玻璃的中间区域仍为平行玻璃21，目的在于保留液滴2位置附近的平行光1，使得液滴2周围保持一定的亮度，便于观测液滴2边缘的轮廓细节变化以及雾化液滴粒径分布等；同时玻璃的边缘区域按照型线方程(式(1))设计，切割成一定的弧度，为弧形玻璃22，目的在于将外围的光线汇聚到液滴2附近，之后光线按照图3所示路径进入高速摄影相机镜头5，在液滴2中心区域进行较大亮斑12，便于观测液滴2中心区域的更多细节变化，平行玻璃21与弧形玻璃22之间需要光滑过渡，排除光线畸变对观测效果的影响。综上，该玻璃在高速气流36冲击下液滴2变形破碎的观测领域兼顾有清晰观测液滴中心区域和外轮廓细节变化的优点，比原有的平行玻璃的观测效果有一定的提升。研究高速气体冲击液滴采用的电控破膜激波管实验平台如图5-8所示。激波管为40mm×70mm的方截面直管道，激波管驱动段34的长度为2m，激波管被驱动段310总长度为5.5m。实验段的中心位于膜片35下游2.2m处，实验观察窗38尺寸为50mm×120mm，所述实验段为激光束514冲击液滴2的区域，膜片35材质为涤纶，厚度为25μm-100μm，在激波管中的破膜压力差为200kpa-800kpa。实验中激波管被驱动段310的压力范围为102kpa(实验室大气压)-3kpa(接近冬季实验室内的水饱和蒸气压，夏季约为5kpa)，激波管驱动段34的压力范围为150kpa-900kpa。液滴2由不锈钢点胶针头43产生，其内外径分别为0.34mm和0.64mm，产生液滴2直径约为2.8mm。通过更换点胶针头43，可以在2.2mm-4mm范围内调整液滴2的尺寸。
将镍铬合金丝59粘贴于涤纶膜片35表面，并装夹在激波管驱动段34与激波管被驱动段310之间。根据实验要求，通过气路实现对激波管中气压的控制，其中用气瓶和真空泵65调节激波管驱动段34与激波管被驱动段310内的气体压强和组分，所述气瓶包括氢气罐61和氮气罐62。在抽真空及配气过程中，打开预混气罐64与激波管被驱动段310的阀门二63，使两端气压平衡。准备完毕后，打开点胶针头43上方的阀门一41，使液体通过点胶针头43落下，形成实验中的液滴2。
如图7为电控破膜装置电路示意图，其中包括电火花发生器51和液滴探测实验装置513，电火花发生器51和液滴探测实验装置513通过延时器511连接，所述电火花发生器51外连接有短路开关510、镍铬合金丝59和火花电极56，所述电火花发生器51包括线圈52、桥式整流器53、稳压器54和电容55，所述液滴探测实验装置513包括光电二极管32和电阻512，液滴2下落过程中穿过激光笔39产生的激光束514，光电二极管32上的光斑消失；此时光电二极管32反向电阻趋近于0，固定电阻512的两端电压升高。这一电压信号被脉冲信号生成器探测到并转化为5v的晶体管-晶体管逻辑电平57，在经过延时器511延时后输入至电控破膜装置31。晶体管-晶体管逻辑电平57使高压包58给出一个具有较高电压的信号，在火花电极56处形成击穿，将电极之间的空气转化为等离子体。此时电容55两极导通，在实验前充入的电荷快速释放形成较大电流，使镍铬合金丝59炸裂。炸裂产生的高温和冲击使激波管中的涤纶膜片35产生损伤，进而导致的应力集中使涤纶膜片35迅速破裂。破膜形成的激波37向激波管下游传播，与液滴2相互作用；液滴2在高速气流36中完成变形破碎，并被高速摄影相机镜头5记录。
如图9为基于型线方程设计的玻璃观测到的液滴，其中12为大面积亮斑，73为液滴背风面起皱现象，在液滴2迎风面产生了不稳定波74，液滴2破碎后生成液雾75。对比改进前可以发现，改进后的观测效果比改进前更加清晰和直观。
如图10为型线方程涉及的计算尺寸示意图，图中l1为玻璃与液滴的间距；l2为玻璃弧形部分与平行部分交界处的厚度。
式(1)为观测玻璃弧形部分涉及遵循的型线方程。式中ca为光在空气中的传播速度；cg为光在玻璃中的传播速度。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。