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雙錐(zhuī)流量計氣(qì)水兩相流(liú)流量測量(liang)實驗
發布(bu)時間:2021-9-14 08:17:45
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摘要(yào):設計了等(deng)效内徑比(bǐ)分别爲0.424、0.586的(de)雙錐流量(liàng)計,并采用(yòng)該流量計(ji)在多相流(liú)實驗裝置(zhì)上開展了(le)氣水兩相(xiàng)流參✉️數測(ce)量實驗研(yán)究。通過對(duì)雙錐流量(liang)計
上的差(chà)壓波動信(xìn)号時間序(xù)列進行分(fen)析,采用其(qí)特征值建(jiàn)立氣水兩(liang)相流分相(xiang)含率測量(liàng)模型;在分(fen)相💚流模型(xing)的基礎上(shang),通❓過分💰析(xi)準氣相流(liú)量比和Lockhart-Martinelli常(cháng)數的關系(xi)建立氣水(shuǐ)兩相流流(liú)量測量模(mo)🎯型。在多相(xiang)流實驗裝(zhuāng)置上進行(háng)了氣水兩(liang)相流參數(shù)測量系列(liè)實驗,結果(guǒ)表明在實(shi)驗範圍内(nei),所建立的(de)體積含氣(qi)率測量模(mó)型測量🧑🏽🤝🧑🏻相(xiang)對誤差在(zai)5%以内;氣液(ye)兩相流總(zong)流量和液(ye)相流量測(ce)量誤差在(zai)6%以内。氣相(xiàng)流量的測(ce)量💋結果表(biǎo)明,在以空(kōng)氣和水爲(wei)介質、幹度(du)🔴很小的工(gong)況下,氣相(xiang)流💰量的測(cè)量相對誤(wù)差明顯大(dà)于總流量(liang)和🥰液相流(liú)量的相對(dui)誤差。
0引言(yán)
氣液兩相(xiang)流常見于(yú)冶金、石油(yóu)、動力、化工(gong)、能源、管道(dao)運輸及⚽制(zhì)冷制藥等(děng)領域,在工(gong)業生産與(yu)科學研究(jiū)中具有重(zhong)要作🏃🏻用,在(zai)工業過程(cheng)中也伴随(sui)着許多經(jing)濟與安全(quan)問題,因此(cǐ)對兩相流(liu)活動過程(chéng)機理狀态(tài)的描述、解(jiě)釋以及流(liu)動過程中(zhōng)相關參數(shù)💞的正确測(ce)量具有重(zhòng)要意義,也(yě)是現代工(gong)業系統中(zhong)亟待解決(jué)的一道難(nán)題。随.着工(gōng)業水平的(de)不斷提高(gao),兩相流涉(she)及的領域(yu)💋越來越廣(guang)泛,對工業(ye)過程控制(zhi)精度的要(yào)求也在不(bu)斷提高。在(zài)♋目前工業(ye)生産中,由(you)🤩于一些傳(chuán)統的流量(liang)測量方式(shi)及模型無(wú)法适用于(yú)兩相流特(tè)有的波動(dòng)性和複雜(zá)的流動形(xíng)态,使得其(qí)相關參數(shu)☎️的測量方(fang)法♊多處于(yu)研究階段(duan),離實際應(ying)用尚有一(yi)定距離。
氣(qì)液兩相流(liu)過程參數(shu)的檢測策(cè)略随工況(kuang)與對象✌️屬(shǔ)🥰性的變🈲化(hua)而變化,可(ke)以利用的(de)物理現象(xiang)與關系有(yǒu)很多,因此(cǐ)檢測方法(fǎ)也👅多種多(duo)樣。從測量(liàng)形式上🐇講(jiang),目前常見(jiàn)的檢測方(fāng)👄法大緻可(ke)分爲直接(jie)法和間接(jiē)法2類,前者(zhe)可以通過(guo)采用傳統(tǒng)單相流儀(yí)表等方法(fa)直接測得(de)待測對象(xiang)的相關參(can)數,後者則(zé)多采用一(yi)定的輔助(zhù)㊙️測🍓量值建(jian)立待測參(can)數與特征(zheng)值的關☂️系(xì)式,通過模(mo)型計算得(de)到[2。利用傳(chuan)統單相流(liú)量計測量(liàng)氣液兩相(xiàng)流參數💘是(shi)多相流測(ce)量研究與(yu)應用的一(yi)個重要方(fāng)向,雖然這(zhe)類儀表🍉在(zai)檢測混合(hé)流量時⛱️的(de)性能良好(hao),但由㊙️于工(gong)況和模型(xíng)的差異,在(zài)檢測相含(hán)率時誤差(chà)較大531J。從測(ce)量🌈原理上(shang)講,氣液兩(liǎng)相流相關(guan)參數的測(ce)量方法可(ke)以❄️分爲分(fèn)離法和非(fei)分離法,前(qian)者是将兩(liǎng)相流流體(ti)分離,利用(yong)單相流的(de)測量方法(fǎ)分别獲得(dé)相關參數(shu),但此類方(fāng)法受測量(liàng)設備龐♉大(dà)、系統複雜(za)等因素的(de)限制,需要(yao)對取樣設(she)備進行🐇更(geng)進一步的(de)研究,後者(zhě)直接利用(yòng)傳統差壓(ya)式流量計(ji)對混合的(de)兩相流流(liu)體進行測(ce)量,傳統差(chà)壓式流量(liang)計由于結(jié)構簡單、性(xing)能可靠等(deng)特‼️點,一直(zhi)以來在多(duō)相流參數(shù)測量中倍(bèi)受關注。
傳(chuán)統差壓式(shì)流量計是(shi)将流向管(guǎn)道中心收(shōu)縮,通過測(ce)量🏃♀️節流件(jiàn)⛷️(如孔闆和(he)文丘裏管(guǎn))前後的壓(ya)力降來得(de)到流量數(shu)據。近20年出(chu)現了一種(zhǒng)新型
V型内(nei)錐流量計(jì)
,它将原本(ben)利用流體(tǐ)進行節流(liú)而後收縮(suō)到管道中(zhong)心軸線附(fu)近的概念(nian)從根本.上(shàng)改變爲利(lì)用同軸安(ān)裝在管道(dào)中的㊙️V形錐(zhui)體将流體(tǐ)慢慢地進(jìn)行節流而(er)後收縮到(dào)管道的内(nèi)邊🆚壁。與其(qí)他傳統差(cha)壓式流量(liang)計相比,V錐(zhuī)🈲流量計在(zai)壓損、重複(fú)性、量程比(bi)和長期工(gong)🔞作穩定性(xìng)等🌍方面表(biao)現出📐一定(ding)的優勢🔴,實(shi)驗分析表(biǎo)♋明其可用(yòng)于兩相流(liu)的流型識(shi)别和參數(shù)測量[15-18],但由(you)于V錐流量(liang)計的内錐(zhui)形狀較爲(wèi)複雜且節(jiē)流件尾部(bu)鈍體會使(shǐ)流體産生(shēng)流動分離(li),産生旋🐪渦(wo)并造成較(jiào)大壓力損(sǔn)🔆失等問題(tí)使其應用(yong)受到一定(ding)的限制。本(běn)文作者在(zài)
V錐流量計(ji)
的基礎上(shàng)設計了一(yi)種具有對(dui)稱結構的(de)雙錐流量(liàng)計([9,利用理(li)論模型較(jiào)成熟的差(chà)壓原理開(kāi)展氣液兩(liang)相流🌍參數(shù)的測量,并(bìng)根據氣液(yè)兩相流固(gù)有的波動(dòng)特性提取(qu)相關特征(zheng)值,分析其(qi)與分相含(hán)率等參數(shu)的關系(20-22,探(tan)尋氣液兩(liang)相流的參(cān)‼️數測量新(xin)✔️型測量方(fang)⛷️法并開展(zhǎn)實驗分析(xī)和研💰究,爲(wei)氣液兩🐪相(xiang)流在工業(ye)過程參數(shù)正确檢測(ce)及新型流(liú)量計商業(ye)化奠🧑🏾🤝🧑🏼定基(jī)礎。
1測量原(yuán)理
1.1流量計(jì)結構
雙錐(zhui)流量計爲(wèi)--新型内錐(zhuī)流量計,節(jie)流單元基(jī)本結構如(ru)圖1所示,包(bāo)括測量管(guan)段、取壓口(kǒu)和節流錐(zhuī)體。.圖1(b)爲雙(shuāng)錐流🙇🏻量計(jì)剖面圖,P1、P2、P3分(fen)别爲3個取(qu)壓口,P1爲上(shang)遊流體收(shōu)縮前取壓(ya)口,P2爲節流(liu)件喉🙇♀️部最(zui)小流通面(miàn)積處🐉取壓(yā)口,P3爲🌈下遊(you)流束穩定(ding)時的取壓(yā)口。本實驗(yan)研究所需(xu)的雙錐🐉流(liú)量計差壓(yā)信号是從(cong)P1與P2口獲得(de)的前差壓(ya)。利用P2與🏃P3可(kě)獲得雙錐(zhui)流量♈計的(de)後差壓。節(jie)流錐體是(shì)雙錐流量(liang)計的核心(xīn)🌍部件,主要(yào)包括錐體(tǐ)和錐體支(zhi)架結構2部(bu)分,如圖2所(suǒ)示。雙錐流(liú)量計的錐(zhui)體由前後(hòu)2個錐角相(xiang)等的對稱(chēng)錐體構成(chéng),3個片狀支(zhī)架和🔞1個管(guan)環構成錐(zhui)體支架結(jie)構,節流錐(zhuī)體可通過(guo)支架☂️結構(gou)固定在管(guǎn)道中心并(bìng)與☀️管道同(tong)軸,将與管(guan)道内✔️徑相(xiang)同的管環(huan)安裝在實(shí)驗管道中(zhōng)。
本次研究(jiū)所設計的(de)雙錐流量(liàng)計錐體前(qián)後錐角均(jun)爲45°,中部圓(yuán)柱體長度(du)20mm。D爲管道内(nei)徑,d爲節流(liu)錐體在喉(hou)部處直徑(jìng),ɑ爲對稱錐(zhuī)體的錐角(jiǎo)。
圖1(a)爲管道(dao)最小流通(tong)面積處的(de)截面圖,雙(shuang)錐體采用(yong)三👌角結構(gou)固🚶♀️定于管(guǎn)道内,既能(néng)使雙錐承(chéng)受較大的(de)沖擊又可(ke)以保證雙(shuāng)錐與管道(dao)内圓的同(tóng)軸度,同時(shí)足夠薄度(du)的支撐葉(ye)片也可以(yǐ)最大程度(du)減小對流(liu)💃體的擾動(dong)📱。
1.2基本測量(liàng)模型
雙錐(zhui)流量計的(de)工作原理(lǐ)是基于流(liú)體在一密(mì)封管道中(zhōng)的能量守(shou)恒原理(伯(bó)努利方程(chéng))和流動連(lián)續性原理(li)🐇。根據👉流體(ti)力學的相(xiang)關理論可(kě)以推出單(dan)相流流量(liang)的基本測(ce)量模型☁️:
2實(shí)驗裝置
圖(tú)3和4分别爲(wei)雙錐流量(liàng)計氣液兩(liang)相流實驗(yan)系統實物(wu)圖和結構(gou)簡圖,實驗(yàn)對象爲水(shui)平管道内(nei)的氣/水混(hun)合流體。實(shi)驗設備主(zhu)要🍓包括數(shu)據采集系(xì)統和實👄驗(yàn)管路2大部(bu)分:數據采(cai)集系統包(bāo)括數據采(cai)集器及采(cǎi)集控制界(jiè)面;實驗管(guǎn)路包括雙(shuang)錐流量計(ji)、
壓力變送(song)器
、
差壓變(biàn)送器
、
溫度(du)計
、标準表(biǎo)以及管道(dào)和閥門等(děng)設備。
裝置(zhì)的工作流(liú)程爲:水經(jīng)過穩壓罐(guàn)後,通過标(biāo)準水💯表讀(du)取其體積(ji)流量,進入(ru)混相器;空(kong)氣壓縮機(jī)将空氣壓(yā)縮到穩壓(ya)罐,通過标(biāo)準氣表讀(du)取其體積(jī)流量,并用(yòng)溫度計和(he)壓力表測(cè)量此時的(de)氣⁉️相溫度(du)(T)和壓力(p加(jiā):),最後💁進人(rén)混相器與(yǔ)液相混合(hé);氣液✏️兩相(xiang)流經過8m長(zhǎng)的直管段(duàn),充分混合(he)後進入氣(qì)液😄兩相實(shí)驗管🏃🏻♂️段,在(zài)此處安裝(zhuang)雙錐流量(liang)計并測量(liàng)氣液兩相(xiang)的混合差(chà)壓,同時測(ce)量雙錐流(liu)量計前的(de)壓力(p2)和溫(wen)度(T2),采用🥵數(shu)據采集系(xi)統記錄各(gè)測量值。
實(shi)驗中,液體(tǐ)穩壓罐和(he)氣體穩壓(yā)罐的穩壓(ya)範圍分别(bié)😄爲0.2~0.21MPa和0.39~0.41MPa,标🌈準(zhun)水表和标(biao)準氣表參(can)數如表1,直(zhí)管段以及(ji)實驗管段(duan)管徑爲50mm。.
考(kǎo)慮到不同(tóng)等效直徑(jing)比的雙錐(zhuī)流量計具(ju)有不同的(de)測量特🏃♀️性(xing)✉️,選擇不同(tóng)的直徑比(bi)可分析雙(shuang)錐流量計(ji)各自不同(tong)特㊙️性,從而(er)獲得與直(zhi)徑比相關(guān)的關鍵參(can)數,因此選(xuǎn)用2個不同(tóng)等效直徑(jing)比(0.424、0.586)的㊙️雙錐(zhui)流量計進(jìn)行實驗,其(qí)流出系數(shù)分别爲0.9672和(he)0.9685。雙錐流量(liàng)計的差🧑🏾🤝🧑🏼壓(yā)信号由應(ying)💯變式差壓(yā)變送器進(jìn)行測量,其(qí)量程爲⁉️0~64kPa,輸(shu)出電流信(xin)号🌈4~20mA,精度等(deng)級爲0.25%FS.
3分相(xiàng)含率測量(liàng)模型
在氣(qì)液兩相流(liu)的測量中(zhong),分相含率(lǜ)是一個重(zhòng)要的參數(shù),重點測量(liang)對象爲氣(qì)相的相含(han)率,包括體(ti)積含氣率(lǜ)☀️、截面含氣(qi)率(空隙率(lǜ))和質量流(liu)量含氣率(lǜ)(幹度🐕)。其中(zhong)體✊積含氣(qì)🥰率和幹度(dù)的關系如(ru)下式:
式中(zhong):μ爲體積含(hán)氣率;pz爲氣(qì)相密度;ρn爲(wèi)液相密度(dù)。
氣液兩相(xiàng)流在流動(dong)過程中存(cun)在波動性(xìng),根據前人(rén)💋的實驗研(yan)究結果,此(ci)波動信号(hào)與氣液兩(liang)相流的流(liu)🔅型、分相含(han)率等重要(yào)📱測量參數(shu)具有一定(ding)的相關性(xing),因此可以(yǐ)通過分析(xī)從🈲差壓波(bō)動信号中(zhōng)提取的特(te)征值建立(lì)氣液兩相(xiàng)流分相含(han)率的測量(liang)模型,從而(ér)實現對氣(qi)相含率等(děng)參數的在(zài)線測量。
氣(qi)液兩相流(liú)通過差壓(yā)式流量計(ji)時的瞬時(shi)差壓和瞬(shùn)時㊙️流量之(zhī)💜間也符合(he)時間平均(jun1)值的關系(xi)式,因此:
式(shi)中:i爲某個(gè)瞬時時刻(kè);△ppo爲瞬時差(cha)壓;μi;爲瞬時(shí)體積含氣(qì)率;qi爲瞬時(shi)😍流量;k、b是與(yǔ)節流元.件(jiàn)結構和兩(liǎng)相流流體(tǐ)物性有關(guān)的系數☁️。
定(dìng)義脈動振(zhèn)幅爲差壓(yā)瞬時值和(hé)時均值之(zhī)差,其均方(fang)根爲:
理論(lun)上R是μ的單(dan)值函數,可(kě)通過實驗(yàn)差壓時均(jun1)值和♻️差壓(yā)脈🛀🏻動幅值(zhi)計算出氣(qì)相體積含(han)率μo.
實驗所(suo)用水平管(guan)道管徑爲(wèi)50mm,進行氣液(yè)兩相流實(shí)驗并采集(ji)差壓波動(dòng)信号,圖5和(hé)6爲等效直(zhi)徑比爲0.424和(he)0.586的雙錐流(liu)量計無✏️量(liàng)綱參數🤩R與(yǔ)體積含氣(qi)率μ的數值(zhi)點分布
由(you)圖5和6可知(zhi),對于雙錐(zhuī)流量計,波(bo)動幅度參(cān)數R随着體(ti)積✌️含🏃🏻♂️氣率(lü)呈現先增(zeng)大後減小(xiao)的趨勢。當(dang)體積含氣(qi)率小于0.3時(shí),差壓的波(bo)動幅度參(cān)數很小;然(rán)後随着體(tǐ)積含氣率(lǜ)的增大,差(chà)壓的波動(dòng)幅度值增(zēng)!大,并在0.85左(zuǒ)右達到最(zuì)大值。根據(jù)流體在管(guan)道中流動(dong)的實際情(qing)況,當流體(tǐ)爲單相(即(jí)全✏️爲液相(xiang)μ=0,全爲氣相(xiàng)μ=1)時,流動是(shì)較爲平穩(wěn)的,應有R≈0,因(yīn)此可假設(she)R與μ符合如(rú)下關系:
4流(liú)量測量模(mo)型
雙錐流(liú)量計作爲(wei)-種新型差(cha)壓式流量(liang)計,在結構(gòu)上與🏒傳統(tong)⭐标準🔴差壓(yā)流量計具(ju)有一-定的(de)差異,現有(yǒu)模型,的一(yi)些關鍵參(can)數無法适(shi)用,需尋求(qiú)新的模型(xíng)參數。
用汽(qì)水、氣水和(hé)天然氣水(shui)混合物經(jīng)過大量實(shí)驗并對💘理(li)🌏想🔞分相流(liu)模型進行(hang)修正後得(de)到孔闆氣(qì)液兩相流(liu)流量計算(suàn)模型🏒:
5實驗(yan)與結果分(fèn)析
5.1氣相含(han)率測量
實(shí)驗在體積(jī)含氣率爲(wei)0.32~0.96範圍内進(jin)行,對流體(tǐ)流經雙錐(zhui)流量🏃計時(shí)所産生的(de)前差壓進(jìn)行了采集(ji),提取差🚶壓(ya)波🚶♀️動信💚号(hào)中的特征(zhēng)值R',通過模(mo)型式(7)計算(suàn)得出體積(ji)含氣率值(zhi),模型測量(liàng)📐誤差如圖(tú)8和9所示,體(ti)積含氣率(lǜ)的相對🏃♀️誤(wù)差基本🐪在(zai)±5%以内。
5.2流量(liàng)測量
氣液(ye)兩相流流(liú)量實驗測(cè)量以水和(hé)空氣爲介(jie)質,其中⭐水(shui)和空🔞氣的(de)質量流量(liang)範圍分别(bié)爲1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩(wěn)壓爲0.2MPa,氣源(yuan)🐇穩壓0.4MPa,幹度(dù)範圍0.001~0.03,環境(jìng)溫度20.5℃.。NI數據(ju)采集卡采(cǎi)集差壓波(bō)動🚶♀️信号,提(tí)💚取其特征(zheng)值并通過(guo)公式(7)和(2)計(jì)算得到質(zhi)量流量含(han)氣率x,流量(liàng)值可通過(guo)公式(12)計算(suàn)得到。
實驗(yan)測量了氣(qi)液兩相流(liu)的總流量(liang)及液相、氣(qi)相的分♋相(xiang)流量,在圖(tu)10和11中給出(chu)了總流量(liàng)的測量誤(wu)差,總質量(liàng)流量的參(cān)🐅考值爲氣(qi)❄️相和液相(xiàng)混合前的(de)流量⁉️值之(zhi)和。測量誤(wu)差結果⭐顯(xiǎn)示,在實驗(yàn)範🏃🏻♂️圍内所(suo)采用的體(ti)積含氣率(lü)測量模型(xíng)和改進的(de)流量測量(liang)模型對氣(qì)液兩相🍓流(liú)總流量測(ce)量具有較(jiao)好💁的适用(yong)效果㊙️,測量(liàng)結果相對(dui)🈲誤差基本(běn)可以控制(zhi)在±6%以内。值(zhi)得提出的(de)是,當氣相(xiàng)體積含率(lǜ)大于0.8時,兩(liǎng)相流處于(yú)塞狀流🌈向(xiàng)環狀流的(de)過渡段,流(liu)型變化較(jiào)爲複雜,使(shǐ)得測♌量精(jīng)度有所下(xià)降。
總流量(liàng)測量相對(dui)誤差圖中(zhong)可看出,對(duì)于氣液兩(liang)相流,其分(fen)✉️相流的參(can)數測量具(jù)有重要的(de)工程意義(yi)。可以根據(ju)公式(7)和測(ce)量💘出的體(tǐ)積含氣率(lü)值由公式(shì)(2)得到幹度(du)值,從而實(shi)現對🈲氣液(yè)兩相流的(de)分相流測(cè)量。液相流(liú)量測量誤(wù)差如圖12和(hé)13所示,在實(shi)驗範圍内(nèi)的⭐相對誤(wù)差基本在(zài)±6%以内,說👄明(ming)該測量模(mó)型在該工(gōng)況下具有(yǒu)較好的測(ce)量效果。因(yin)爲在實驗(yàn)所用氣㊙️液(yè)兩相流中(zhōng),氣體在總(zǒng)流量中所(suo)占的比例(li)較小,所以(yǐ)液相流量(liàng)測量誤差(chà)分✉️布結果(guo)與總流量(liàng)相似。
實驗(yan)對氣相流(liu)量進行了(le)測量,其測(ce)量結果如(rú)圖14和15所示(shì)。測量誤差(chà)結果顯示(shì),忽略粗大(da)誤差後的(de)氣相流量(liàng)測量誤差(chà)在±20%以内,該(gai)🏃🏻誤差遠大(dà)于液相和(he)總流量的(de)測量誤差(chà)💋,分析認爲(wei)在本實驗(yàn)中的兩相(xiang)流幹度僅(jin)在0.001~0.03範😍圍内(nei),不同于濕(shī)蒸氣和高(gao)幹度㊙️的實(shí)驗工況,對(dui)體積含氣(qi)率或幹度(dù)的微小測(cè)量誤差會(hui)導緻🚶對氣(qi)相流量測(ce)量結果的(de)較大👅偏差(chà)。
6結論
本文(wén)将一種新(xin)型的雙錐(zhuī)流量計用(yòng)于氣水兩(liang)相流的測(ce)量⚽,研究了(le)2個不同等(deng)效直徑比(bi)的雙錐流(liu)量計對氣(qì)相體🔞積含(han)率、總流量(liang)及分相流(liu)量的測量(liang)性能。對雙(shuang)錐流量計(ji)上的差壓(ya)波動信号(hào)時間序列(liè)進行了分(fen)析,利用其(qi)特征值建(jiàn)立了氣水(shui)兩相✊流氣(qì)相含🛀率的(de)關系模型(xing)。應用該模(mó)型對氣相(xiàng)體積含率(lǜ)進行📐測量(liang),在實驗範(fàn)圍内,氣相(xiang)體積含率(lü)測量相對(dui)📐誤差在±5%以(yǐ)内。利用常(chang)數建立了(le)雙錐流量(liang)計氣液兩(liǎng)相流總流(liu)量測量模(mó)型,可對總(zong)流量和液(ye)相流🏒量進(jin)行有效的(de)測量,測量(liàng)結果的相(xiàng)對誤差在(zai)±6%以内。在幹(gàn)度很小的(de)情況下,氣(qi)相🐉流量的(de)測量相對(duì)誤差較大(da)。與V錐流量(liang)計在氣液(yè)兩相流相(xiang)⛷️關參數的(de)測量結果(guo)(氣相體積(ji)❓含率已确(que)定的條件(jiàn)❗下,兩相流(liu)總質量流(liu)量的🌈相對(duì)誤差基本(běn)在土5%内)相(xiang)對比表明(míng)[1],雙錐流量(liang)計可獲得(de)與V錐流量(liang)計相當的(de)精度,且在(zài)減小流體(tǐ)擾動、降低(dī)壓力損失(shī)和抗🌈壓力(lì)沖擊等方(fang)面更具有(yǒu)優勢。
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