Schlieren-Imaging: Eine Technik zur Visualisierung der Eigenschaften von Überschallströmungen

Schlieren Imaging: A Technique to Visualize Supersonic Flow Features

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Schlieren Imaging: A Technique to Visualize Supersonic Flow Features

8.1: Real-time Flight Control: Embedded Sensor Calibration and Data Acquisition

8.4: Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

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07:34 min

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October 13, 2017

Overview

Quelle: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, und Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA

Militärische Düsenjäger und Projektile können mit unglaublichen Geschwindigkeiten fliegen, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten, was bedeutet, dass sie mit einer Überschallgeschwindigkeit reisen. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle durch ein Medium ausbreitet, das 343 m/s beträgt. Mach-Nummern werden verwendet, um die Fluggeschwindigkeit eines Objekts relativ zur Schallgeschwindigkeit zu messen.

Ein Objekt, das mit einer Schallgeschwindigkeit unterwegs ist, hätte eine Mach-Zahl von 1,0, während ein Objekt, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fährt, eine Mach-Zahl größer als 1,0 hat. Die Kompressibilitätseffekte der Luft müssen bei Reisen mit solchen Geschwindigkeiten berücksichtigt werden. Ein Fluss gilt als komprimierbar, wenn die Mach-Zahl größer als 0,3 ist. In dieser Demonstration wird Mach 2.0 Überschallstrom über einen Kegel analysiert, indem die Bildung von Stoßwellen und Kompressionswellen im komprimierbaren Durchfluss mit einem Schlieren-System visualisiert wird.

Principles

Komprimierbarer Durchfluss oder Hochgeschwindigkeitsfluss tritt auf, wenn Flüssigkeiten signifikante Veränderungen in ihrer Dichte erfahren. Wenn der Überschallfluss an einem Körper vorbeifließt, bilden sich Stoßwellen und Expansionswellen um den Körper. Eine Stoßwelle ist eine extrem dünne Region in der Größenordnung von 10^-5 m, in der sich die Strömungseigenschaften deutlich ändern. Eine Expansionswelle tritt auf, wenn der Druck kontinuierlich über eine Welle abnimmt und die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.

Die schlieren-Bildgebungsmethode ist eine dichtebasierte Strömungsvisualisierungstechnik, die Veränderungen im Brechungsindex einer Flüssigkeit erkennt, die proportional zu den Veränderungen der Flüssigkeitsdichte über Stoß- oder Expansionswellen hinweg ist. Dies ermöglicht die Visualisierung von Schock- und Expansionswellenmustern in Überschallströmungsfeldern.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wandelt ein schlierendes Bildgebungssystem Unterschiede im Winkellicht, die durch den Dichtegradienten im Durchfluss verursacht werden, in Unterschiede in der Lichtintensität auf dem Bildschirm um. Die Strömungsphänomene werden durch die inhärenten Dichteänderungen sichtbar. Wie in Abbildung 1 dargestellt, entsteht paralleles Licht von einer Lichtquelle durch den Brennpunkt einer konvexen Linse L1 und beleuchtet ein komprimierbares Strömungsfeld im Testabschnitt eines Überschall-Windkanals. Nach der Fahrt durch den Testabschnitt konvergiert der einfallende Lichtstrahl durch die Linse L2 an seinem Brennpunkt und reist weiter, bis er auf eine Leinwand projiziert wird. Die Messerkante K, die sich auf der Brennebene der Linse L2 befindet, ist entscheidend, um die Qualität des Bildes auf dem Bildschirm zu gewährleisten. Das Blockieren eines Teils des abgelenkten Lichts erhöht den Kontrast des projizierten Bildes auf dem Bildschirm erheblich. Ohne entsprechende Verstopfung durch die Messerkante wird die Sichtbarkeit des abgelenkten Einfallslichts durch die dichteunterschiedliche Flüssigkeit beeinträchtigt.

Abbildung 1: Ein Schaltplan eines schlierenden Bildgebungssystems, das das durch die Messerkante blockierte abgelenkte Licht Zeigt, K, das sich auf der Brennebene der Linse L2 befindet.

Das in diesem Experiment verwendete schlieren-Bildgebungssystem ist in Abbildung 2 dargestellt und stellt eine alternative Einrichtung zu, die in Abbildung 1 dargestellt ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Konfigurationen besteht darin, dass das Paar konvexer Linsen in Abbildung 1 verwendet wird, während in Abbildung 2 ein Paar konkave Linsen verwendet wird. Alle anderen Komponenten sind identisch.

Abbildung 2: Schemat des in der Demonstration verwendeten schlieren-Bildgebungssystems.

Procedure

1. Visualisierung von Stoßwellen mit einem schlierenden Bildgebungssystem

Aktivieren Sie die Trocknertürme, um die Luft zu dehydrieren. Dadurch wird sichergestellt, dass der Luftstrom keine Feuchtigkeit enthält, und verhindert die Eisbildung, wenn die lokale Temperatur im Testabschnitt aufgrund des Überschallflusses sinkt.
Öffnen Sie den Testabschnitt und sichern Sie das 15° Halbwinkelkegelmodell an der Stützstruktur.
Überprüfen Sie, ob der Testabschnitt frei von Schmutz oder anderen Gegenständen ist, und schließen Sie dann den Testabschnitt.
Stellen Sie sicher, dass das Hauptventil für die Luftstromregelung geschlossen ist, und schalten Sie dann den Kompressor ein, um den Luftspeicher unter Druck zu setzen. Lassen Sie den Kompressor 210 psi erreichen, bevor Sie ihn abschalten.
Schalten Sie den Regler für das Hochgeschwindigkeitsventil ein, und legen Sie die folgenden Parameter fest, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Tabelle 1: Steuerparameter für Mach 2 ausführen.

Pl	0	MV	25
•PV	100	Dvl	100
Df	0.25	Kp	1.1
Lc	weg	Ti	0.01
Rh	100	Td	0
Rl	0	Rt	1
Pv	—	Bs	0
Lebenslauf	—	Δt	1
Sv	17	D/R	den motor auf touren bringen
Mv	-25	Vd	den motor auf touren bringen
art	pro	MVF	-25
Mh	100	Ph	100
ml	0

Schalten Sie das Licht- und Lüfter des schlieren-Bildgebungssystems ein.
Legen Sie ein Blatt Papier auf der gegenüberliegenden Seite des Textabschnitts von der Lichtquelle.
Richten Sie den ersten konkaven Spiegel aus, damit Licht den Testabschnitt passieren kann. Überprüfen Sie, ob das Licht auf das Papier trifft.
Passen Sie den zweiten konkaven Spiegel so an, dass das Licht, das den Testabschnitt durchläuft, auf einen projizierten Bildschirm reflektiert wird.
Stellen Sie die Messerkante so ein, dass sie sich im Mittelpunkt des zweiten Spiegels befindet. Und stellen Sie die Blende der Messerkante ein, um die gewünschte Bildqualität zu erzielen.
Positionieren Sie eine Kamera auf einem Stativ direkt vor der Messerkantenöffnung, um das projizierte Bild aufzuzeichnen.
Setzen Sie den entsprechenden Gehörschutz an, und überprüfen Sie, ob sich niemand in der Nähe des Luftabluftauspuffs außerhalb des Gebäudes befindet.
Öffnen Sie die Luftzufuhr zum Schnellventilregler, und öffnen Sie dann das Hauptventil, das Luft in das System einlässt.
Schalten Sie das Licht im Raum aus, damit das projizierte Bild leichter zu sehen ist.
Aktivieren Sie den Windkanal.
Beobachten Sie das schlierende Bild des Mach 2-Flusses über das Kegelmodell.
Schalten Sie den Windkanal aus, indem Sie die Ventile in umgekehrter Reihenfolge schließen. Schalten Sie dann den Controller aus.
Warten Sie, bis alle Luft aus dem Gerät freigesetzt wurde, bevor Sie Ihren Gehörschutz entfernen.

Militärjets fliegen mit unglaublichen Geschwindigkeiten, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten, die sogenannten Überschallgeschwindigkeiten. Bei der Beschreibung von Überschallgeschwindigkeiten verwenden wir Mach-Nummer, um diese Geschwindigkeit relativ zur Schallgeschwindigkeit zu messen. Bei einer Mach-Zahl größer als 0,8, aber kleiner als 1,2 ist die Geschwindigkeit transonisch. Oberhalb von Mach 1.2 ist die Geschwindigkeit überschall.

Werfen wir einen genaueren Blick auf das, was bei diesen hohen Geschwindigkeiten geschieht, indem wir den Luftstrom um einen kegelförmigen Körper analysieren. Oberhalb einer Mach-Zahl von 0,3 sind die Kompressibilitätseffekte der Luft zu berücksichtigen, da bei diesen hohen Geschwindigkeiten Luft signifikante Dichteänderungen aufweist. Wenn die eingehende Strömungsgeschwindigkeit über Mach 1.0 liegt, bildet sich aus der Nase des Kegels oder Keils eine schräge Stoßwelle, und um den sich bewegenden Körper bilden sich Expansionslüfter.

Eine Stoßwelle ist eine extrem dünne Vermehrungsstörung, bei der abrupte Veränderungen der Strömungseigenschaften wie Druck, Temperatur und Dichte auftreten. Ein Erweiterungslüfter besteht aus einer unendlichen Anzahl von Wellen und wird verursacht, wenn sich der Überschallfluss um eine konvexe Ecke dreht. Druck, Dichte und Temperatur sinken kontinuierlich über den Expansionslüfter, während die Geschwindigkeit steigt. Da sich die Dichte der Luft innerhalb der Stoßwellen- und Expansionslüfter signifikant verändert, können sie mit einer dichtebasierten Strömungsvisualisierungstechnik, der sogenannten Schlieren Imaging, visualisiert werden.

Die Schlieren-Methode beruht auf einem Brechungsindex, der das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum zu ihrer Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Mediums darstellt. Die Änderung des Brechungsindexes ist proportional zur Änderung der Dichte. So ändert sich die Dichte der Luft in der Stoßwelle und dem Expansionslüfter, so auch der Brechungsindex.

In Schlieren Imaging leuchtet eine kollimierte Lichtquelle auf den Körper, und die Variation des Brechungsindex verzerrt den Lichtstrahl. Um die Durchbiegung zu visualisieren, wird eine Messerkante auf der Brennebene des übertragenen Lichts platziert, wodurch ein Teil des abgelenkten Lichts blockiert wird und der Kontrast des projizierten Bildes auf dem Bildschirm verbessert wird. Daraus ergibt sich ein Bild von hoher und geringer Lichtintensität, das die Bereiche mit hoher und niedriger Luftdichte abbildet und es uns ermöglicht, die Stoßwellen und Expansionslüfter zu visualisieren.

In diesem Experiment zeigen wir den Einsatz eines Schlieren Imaging-Systems, um die Stoßwellen und Expansionslüfter zu visualisieren, die durch Mach 2 Luftstrom über einen Kegel gebildet werden.

Dieses Experiment nutzt ein Schlieren-System, um Schockwellen abzubilden, die von einem Überschall-Windkanal um ein 15°-Halbwinkelkegelmodell erzeugt werden. Das in diesem Experiment verwendete Schlieren-System ist wie gezeigt eingerichtet.

Aktivieren Sie zunächst die Trocknertürme, um die Luft zu dehydrieren. Dadurch wird die Eisbildung aufgrund lokaler Temperatursenkungen im Testabschnitt verhindert. Öffnen Sie dann den Textabschnitt, und sichern Sie das 15° Halbwinkelkegelmodell an der Stützstruktur im Inneren. Überprüfen Sie den Testabschnitt, um sicherzustellen, dass er frei von Schmutz und anderen Gegenständen ist. Schließen Sie dann den Testabschnitt.

Stellen Sie sicher, dass das Hauptventil für die Luftstromregelung geschlossen ist, schalten Sie dann den Kompressor ein, um den Luftspeicher unter Druck zu setzen, und lassen Sie den Tank 210 psi erreichen. Wenn der Kompressor nicht automatisch abschaltet, wenn der Druck erreicht wird, schalten Sie den Kompressor manuell aus. Schalten Sie nun den Regler für das Hochgeschwindigkeitsventil ein.

Um das Schlieren Imaging-System einzurichten, schalten Sie zunächst den Licht- und Lüfter ein. Legen Sie dann ein Stück Papier auf der gegenüberliegenden Seite des Testabschnitts von der Lichtquelle. Richten Sie den ersten konkaven Spiegel aus, damit Licht den Testabschnitt passieren kann, und überprüfen Sie, ob das Licht auf das Papier trifft. Positionieren Sie dann einen Projizierten Bildschirm, auf dem das Bild gebildet wird.

Passen Sie nun den zweiten konkaven Spiegel so an, dass das Licht, das durch den Testabschnitt geht, auf den projizierten Bildschirm reflektiert wird. Stellen Sie die Messerkante so ein, dass sie sich im Mittelpunkt des zweiten Spiegels befindet. Passen Sie dann die Messerkantenöffnung an, um die gewünschte Bildqualität zu erzielen.

Um das projizierte Bild aufzuzeichnen, stellen Sie eine Kamera auf ein Stativ auf, das dem Bildschirm zusehen ist. Um direkt auf dem Kamerasensor aufzuzeichnen, positionieren Sie die Kamera vor der Messerkantenöffnung. Nun, da das Gerät eingerichtet ist, lassen Sie uns das Experiment ausführen.

Setzen Sie zunächst den entsprechenden Gehörschutz an, und stellen Sie dann sicher, dass sich niemand in der Nähe des Luftabluftauspuffs außerhalb des Gebäudes befindet. Beginnen Sie, indem Sie die Luftzufuhr zum schnellklappenden Regler öffnen. Öffnen Sie dann das Hauptventil, das Luft in das System lässt. Schalten Sie nun die Lichter im Raum aus, damit das projizierte Bild leichter zu sehen ist. Aktivieren Sie dann den Windkanal, indem Sie die grüne Taste neben dem Controller drücken, der das schnelle Ventil öffnet.

Beobachten Sie das Schlieren-Bild des Mach 2.0-Flusses über das Kegelmodell. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie den Windkanal aus, indem Sie die Ventile in umgekehrter Reihenfolge schließen und dann den Controller ausschalten. Warten Sie, bis das Gerät fertig ist, um Luft freizugeben, bevor Sie Ihren Gehörschutz entfernen.

Werfen wir nun einen Blick auf das Bild, das mit dem Schlieren-Setup aufgenommen wurde. Das in diesem Experiment verwendete Modell war ein Kegel mit einem Halbwinkel von 15°, und es wurde bei Mach 2.0 einem Überschallfluss ausgesetzt. Wir können das Vorhandensein einer Schockwelle beobachten, wie hier gezeigt.

Theoretisch sollte sich an der Kegeloberfläche ein schräger Schock in einem Winkel von 33,9° bilden. Der schräge Stoßwinkelwert wird aus der Taylor-Maccoll-Gleichung ermittelt, die numerisch gelöst werden muss. Der gemessene Versuchswinkel betrug 33,6°, ein Prozentfehler von weniger als 1%, verglichen mit den theoretischen Daten.

Darüber hinaus ermöglicht die Schlieren-Technik die Visualisierung von Erweiterungslüftern über den Kegel. Der Erweiterungslüfter ist ein erwarteter Erweiterungsprozess, der auftritt, wenn sich der Überschallfluss um einen konvexen Winkel dreht.

Zusammenfassend haben wir erfahren, wie die Schlieren-Methode Änderungen des Brechungsindex verwendet, um Schockwellen und Expansionslüfter im Überschallfluss zu visualisieren. Wir nutzten dann die bildgebende Technik, um die Stoß- und Expansionswellenmuster im Mach 2.0-Flussfeld über einem Kegel zu visualisieren.

Results

Bei dieser Demonstration wurde ein Kegel mit einem halber Winkel von 15 Grad einem Überschallfluss bei Mach 2.0 unterzogen. In Abbildung 3 wird ein Schockwecker und ein Expansionslüfter über dem Kegel beobachtet. Theoretisch sollte sich an der Kegeloberfläche in einem Winkel von 33,9° ein schräger Schock bilden. Der Versuchswinkel wurde auf 33,6° gemessen, wie die rote Linie in Abbildung 3B zeigt. Im Vergleich zu den theoretischen Daten lag der prozentuale Fehler bei weniger als 1 %. Darüber hinaus konnte diese Flow-Visualisierungsmethode den Erweiterungslüfter über die hintere Kante des Modells anzeigen.

Abbildung 3: Schlieren Bild von Mach 2 fließen über einen 15° Halbwinkelkegel. A) Originalbild. B) Hervorgehobene Features, die eine Stoßwelle an der Vorderkante und einen Expansionslüfter am Hinterrand anzeigen.

Applications and Summary

Die schlierenbildende Technik ist eine klassische optische Strömungsvisualisierungstechnik, die auf Dichteänderungen in der Flüssigkeit basiert. Es ist ein einfaches System mit konkaven Spiegeln, einer Messerkante und einer Lichtquelle. Mit diesem System können Überschall-Flussfunktionen wie Stoßwellen und Expansionswellen visualisiert werden. Diese Technik hat jedoch Empfindlichkeitsgrenzen für Strömungen mit niedriger Geschwindigkeit.

Das schlierenbildende Verfahren kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere bei der Untersuchung der Strömungsmechanik und der Visualisierung von Turbulenzen. Schlieren imaging liefert wertvolle Informationen zur räumlichen Verteilung komplizierter Strömungsstrukturen in komprimierbaren, turbulenten Strömungen und in Testflügen.

Diese Technik wurde auch in der Luft-Luft-Fotografie von Überschallflugzeugen eingesetzt, bei der die Sonne und/oder der Mond als Lichtquelle und der Wüstenboden als projizierte Oberfläche zur Visualisierung der Stoßwellen verwendet werden. Typischerweise werden Supercomputer und Windkanaltests verwendet, um die Bildung, Ausbreitung und Verschmelzung von Stoßwellen in einem Flugzeug vorherzusagen. Um die Qualität dieser Vorhersagen zu verbessern, wird eine Datenbank mit Schallauslegermessungen in verschiedenen Geschwindigkeiten und Höhen gesammelt. Diese Technik ermöglicht die Überschall-Flussvisualisierung eines Großflugzeugs anstelle eines verkleinerten Modells.

Diese Technik kann auch an Scramjets angepasst werden. Scramjets sind luftatmende Triebwerke, die auf die reine Geschwindigkeit eines Flugzeugs angewiesen sind, um Luft vor der Verbrennung in den Motor zu pressen. Die Fokussier-Schlieren-Visualisierung ist in der Lage, Treibstoffdüsen, turbulente Mischstrukturen und Stoßwellen im Inneren des Scramjet-Motors zu zeigen.

name	gesellschaft	Katalognummer	Kommentare
ausrüstung
Überschall-Windkanal	Sdsu		Operative Mach-Nummern (1; 2; 3; 4.5)
Überschall-Windkanal	Sdsu		Testabschnitt 6″x6″x10″
Schlieren System	Sdsu
Kegelmodell	Sdsu		15-Grad-Halbwinkel.
Dresser Hubkolben Luftkompressor.
Lufttrockner.	Oriad		Jeder Turm braucht 4 Stunden zum Trocknen.
Großer Luftempfängertank.
6-Zoll-Steuerventil.			Das Ventil wird pneumatisch angetrieben und elektrisch gesteuert.
EC-321 Prozessschleifenregler.	Toshiba
Drucktransmitter.	Rosemount

Transcript

Military jets fly at incredible speeds that exceed the speed of sound, called supersonic speeds. When describing supersonic speeds, we use Mach number to gauge that speed relative to the speed of sound. At a Mach number greater than 0.8, but less than 1.2, the speed is transonic. Above Mach 1.2, the speed is supersonic.

Let’s take a closer look at what is happening at these high speeds by analyzing air flow around a cone-shaped body. Above a Mach number of 0.3, the compressibility effects of air must be considered, because at these high speeds air has significant density changes. When the incoming flow speed is above Mach 1.0, an oblique shock wave forms from the nose of the cone or wedge, and expansion fans form around the moving body.

A shock wave is an extremely thin propagating disturbance, where abrupt changes in flow properties, like pressure, temperature, and density, occur. An expansion fan consists of an infinite number of waves and is caused when supersonic flow turns around a convex corner. The pressure, density, and temperature decrease continuously across the expansion fan, while the velocity increases. Since the density of air changes significantly within the shock wave and expansion fans, they can be visualized using a density-based flow visualization technique, called Schlieren Imaging.

The Schlieren method relies on refractive index, which is the ratio of light’s velocity in a vacuum, to its velocity within a specific medium. The change in refractive index is proportional to the change in density. Thus, as the density of air changes in the shock wave and expansion fan, so does the refractive index.

In Schlieren Imaging, a collimated light source shines on the body, and the variation in refractive index distorts the light beam. In order to visualize the deflection, a knife-edge is placed at the focal plane of the transmitted light, thus, blocking some of the deflected light, and enhancing the contrast of the projected image on screen. This results in an image of high and low light intensity, which maps the areas of high and low air density, thus enabling us to visualize the shock waves and expansion fans.

In this experiment, we will demonstrate the use of a Schlieren Imaging system to visualize the shock waves and expansion fans formed by Mach 2 air flow over a cone.

This experiment utilizes a Schlieren system to image shock waves generated by a supersonic wind tunnel around a 15° half-angle cone model. The Schlieren system used in this experiment is set up as shown.

First, activate the dryer towers to dehydrate the air. This will prevent ice formation due to local temperature drops in the test section. Then, open the text section, and secure the 15° half-angle cone model to the support structure inside. Check the test section to make sure it is clear of debris and any other objects. Then close the test section.

Make sure the main valve for the air flow control is closed, then turn on the compressor to pressurize the air storage tank, and let the tank reach 210 psi. If the compressor does not automatically shut off when pressure is reached, turn off the compressor manually. Now, turn on the controller for the high-speed valve.

To set up the Schlieren Imaging system, first turn on the light and cooling fan. Then place a piece of paper on the opposite side of the test section from the light source. Align the first concave mirror to allow light to pass through the test section, and check that the light hits the paper. Then, position a projecting screen where the image is formed.

Now, adjust the second concave mirror so that light passing through the test section is reflected onto the projecting screen. Adjust the knife-edge so that it is at the focal point of the second mirror. Then, adjust the knife-edge aperture to achieve the desired image quality.

To record the projected image, set a camera on a tripod that faces the screen. To record directly on the camera sensor, position the camera in front of the knife edge aperture. Now that the apparatus is set up, let’s run the experiment.

First, put on the appropriate hearing protection, then make sure that no one is near the air exhaust outside of the building. Start by opening the air supply to the fast valve controller. Then, open the main valve, which lets air into the system. Now, turn off the lights in the room so that the projected image is easier to see. Then, activate the wind tunnel by pushing the green button located next to the controller, which opens the fast valve.

Observe the Schlieren Image of the Mach 2.0 flow over the cone model. When finished, turn off the wind tunnel by closing the valves in reverse order, and then turning off the controller. Wait until the apparatus is done releasing air before removing your hearing protection.

Now, let’s take a look at the image acquired using the Schlieren setup. The model used in this experiment was a cone with a half angle of 15°, and it was subjected to supersonic flow at Mach 2.0. We can observe the presence of a shockwave, as shown here.

Theoretically, an oblique shock should form at the cone surface, at an angle of 33.9°. The oblique shock angle value is obtained from the Taylor-Maccoll Equation, which must be solved numerically. The experimental angle measured was 33.6°, a percent error of less than 1%, as compared to the theoretical data.

In addition, the Schlieren technique enables the visualization of expansion fans over the cone. The expansion fan is an expected expansion process that occurs when supersonic flow turns around a convex angle.

In summary, we learned how the Schlieren Method uses changes in refractive index to visualize shock waves and expansion fans in supersonic flow. We then utilized the imaging technique to visualize the shock and expansion wave patterns in the Mach 2.0 flow field over a cone.

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