摘要:運用(yong)數值模拟和實(shi)驗測試相結合(hé)的方法,對氣體(tǐ)渦輪流量計
進(jin)行了結構改進(jìn)和性能優化。基(jī)于内部流體的(de)壓力場和速度(du)場特征分析,得(dé)出了影響流量(liàng)計性能的主要(yao)結構爲表芯支(zhi)座和後導流體(tǐ),主要因素爲表(biao)芯支座側面的(de)壓力梯度驟降(jiang)和後導流體下(xià)遊的尾流耗散(san)。通過對表芯支(zhi)座和後導流體(tǐ)進行結構優化(huà),流量計的計量(liàng)性能得到了提(ti)升。表明:結構優(yōu)化後流量計的(de)壓力損失在最(zui)大流量下減小(xiao)了約42.61%,最大示值(zhi)誤差降低了22.45%左(zuǒ)右,儀表系數也(ye)更加趨于恒定(dìng)。結論有助于爲(wei)今後開發性能(neng)更好的氣體渦(wo)輪流量計提供(gong)理論指導和技(ji)術支持。
氣體渦(wo)輪流量計是一(yī)種速度式的流(liú)量傳感器,具有(yǒu)測量精度高、量(liang)程範圍廣、可靠(kao)性好以及使用(yòng)方便等優點。随(sui)着我國西氣東(dong)輸工程的全線(xiàn)貫通,縱橫交錯(cuò)的天然氣管網(wang)使我國形成世(shi)界上天然氣管(guan)網。氣體渦輪流(liú)量計被廣泛應(ying)用于天然氣管(guan)網中的貿易計(jì)量,市場前景廣(guang)闊。氣體渦輪流(liú)量計的結構改(gǎi)進及其性能優(you)化在流量計量(liàng)領域具有十分(fèn)重要的應用價(jia)值與現實意義(yi)。
将氣體渦輪流(liu)量計前整流器(qi)的葉片截取合(hé)适切角,發現當(dang)葉片切角參數(shu)爲0.25時流量計的(de)性能最好。對前(qian)整流器結構進(jin)行分析,得到了(le)流量計壓力損(sun)失和線性度誤(wù)差均爲最小時(shí)前整流器的葉(yè)片數與長度。在(zai)前導流體研究(jiu)方面.将前導流(liú)體直徑、前導流(liu)體與輪毂間距(jù)作爲改進參數(shu),比較了不同結(jié)構參數下氣體(tǐ)渦輪流量計的(de)性能指标。用流(liú)線型前導流體(tǐ)結構代替傳統(tǒng)半球形前導流(liu)體,使得流量計(jì)的壓力損失降(jiàng)低了近33%。一種三(sān)葉片長螺旋葉(yè)輪結構,流量計(jì)測量的重複性(xìng)明顯提高,測量(liàng)的相對示值誤(wù)差明顯降低。基(jī)于響應面法和(hé)正交試驗法,得(dé)出了影響流量(liàng)計性能的葉輪(lun)結構參數順序(xu)爲:葉輪頂端半(ban)徑>葉輪葉片數(shu)>葉輪輪毂長度(dù)>葉輪輪毂半徑(jing)。在後導流體方(fang)面,優化了後導(dǎo)流體的葉片倒(dao)角。發現流量計(ji)的壓力損失随(sui)着葉片倒角的(de)增大而增加。通(tong)過數值模拟對(dui)流量計内部的(de)流場特征進行(háng)分析,發現後導(dao)流體産生的壓(yā)力損失達到了(le)總壓力損失的(de)55%。
綜上所述,前人(ren)對氣體渦輪流(liu)量計的研究主(zhǔ)要集中在葉輪(lún)、前整流器與前(qián)導流體部分,而(er)對後導流體與(yu)表芯支座的結(jie)構改進及其性(xing)能優化目前還(hái)較爲少見。實際(jì)上,後導流體在(zài)流量計中對流(liu)體起到穩流和(hé)導流的作用,表(biao)芯支座是固定(dìng)葉輪的主要結(jie)構,它們均會對(dui)流量計的性能(néng)産生影響。因此(ci),以TM80氣體渦輪流(liu)量計爲對象,采(cǎi)用數值模拟與(yǔ)實驗測試相結(jie)合的方式,研究(jiu)流量計内部的(de)流場特.征,提出(chū)針對表芯支座(zuò)和後導流體的(de)結構優化方案(àn),進而評估優化(huà)前後流量計的(de)性能指标,探索(suǒ)出提高流量計(jì)計量性能的方(fāng)法。
1流量計的物(wu)理模型與性能(néng)指标
1.1流量計的(de)物理模型
以氣(qi)體渦輪流量計(ji)爲研究對象,流(liu)量計的結構主(zhu)要由前整流器(qi)、前導流體、葉輪(lún)、表芯支座、後導(dao)流體以及殼體(tǐ)等組成,其物理(lǐ)模型如圖1所示(shi)。流量計的前整(zhěng)流器采用葉栅(shan)結構,葉栅數爲(wei)16;前導流體由第(dì)二級16片葉栅(與(yu)前整流器葉栅(shan)呈11.5°夾角)和80mm長的(de)圓柱結構組成(chéng);表芯支座用于(yu)固定葉輪,葉輪(lún)的葉片數爲12,螺(luo)旋角爲45°;後導流(liú)體置于葉輪之(zhī)後,用于穩定出(chū)口處的氣流。
氣(qi)體渦輪流量計(ji)的工作原理爲(wei):被測氣體從管(guǎn)道流入流量計(jì),首先經過前整(zheng)流器和前導流(liu)體進行整流,之(zhi)後氣流推動葉(yè)輪使之産生周(zhou)期性旋轉,葉輪(lun)轉速與被測流(liú)體的平均流速(su)成正比。葉輪旋(xuán)轉後帶動磁電(diàn)轉換器,使其磁(cí)阻值發生變化(hua),在感應線圈中(zhong)産生周期性變(biàn)化的感應電勢(shì),該信号經放大(da)器放大後送至(zhì)儀表盤顯示。
1.2流(liu)量計的性能指(zhǐ)标
根據氣體渦(wō)輪流量計檢定(ding)規章《JJG1037-2008》壓力損失(shī)、儀表系數、線性(xìng)度誤差等是衡(heng)量氣體渦輪流(liú)量計計量性能(neng)的重要指标。
①壓(ya)力損失
壓力損(sǔn)失△P表征流體通(tōng)過流量計的能(neng)量損失,降低壓(yā)力損失能夠減(jiǎn)少流量計在使(shi)用過程的能耗(hào)氣體通過流量(liàng)計的壓力損失(shī)計算公式爲:
式(shì)中:α爲壓力損失(shī)系數;ρ爲氣流密(mì)度,單位爲kg/m3u爲氣(qì)流流速,單位爲(wèi)m/s。
②儀表系數
儀表(biao)系數K是表征流(liú)量計測量準确(què)度和量程比的(de)關鍵性能指标(biao)。各流量點的儀(yí)表系數Ki與待測(cè)氣流體積流量(liang)Qi及流量計輸出(chū)脈沖頻率ƒ的關(guān)系式爲:
按計量(liàng)檢定規章,儀表(biao)系數K可以由式(shì)(3)進行計算:
式中(zhōng):(K)max和(Ki)min分别表示流(liu)量計在分界流(liu)量maxmin點q,到最大流(liu)量點qmax範圍内各(ge)個流量檢定點(dian)得到Ki的最大值(zhi)和最小值,單位(wèi)爲(m3)-1。K越接近恒定(dìng),表示流量計的(de)測量穩定性越(yuè)高,進行流量轉(zhuǎn)換時的精度也(yě)越高。
③最大示值(zhi)誤差E
爲了定量(liang)表征儀表系數(shu)的穩定性,引入(ru)最大示值誤差(chà)。根據計量檢定(ding)規章,最大示值(zhi)誤差E可以由式(shi)(4)進行計算:
在量(liang)程範圍内最大(dà)示值誤差越小(xiao),表明流量計的(de)儀表系數越穩(wěn)定,線性度也就(jiù)越好。
2數值模拟(ni)與實驗測試方(fang)法
2.1數值模拟方(fāng)法
氣流在氣體(tǐ)渦輪流量計内(nèi)部的流動遵循(xún)流體力學的基(jī)本方程,即滿足(zu)流體運動的質(zhì)量守恒方程和(hé)動量守恒方程(cheng)。質量守恒方程(cheng)和動量守恒方(fang)法表示爲:
式中(zhōng):xi,xi爲空間坐标分(fen)量,ui,uj爲流體流動(dòng)速度分量:p爲靜(jing)壓,pij爲應力張量(liàng)ƒi爲體積力分量(liang)。
由于流量計結(jie)構十分複雜,氣(qi)流在流量計内(nei)部的運動往往(wang)呈現湍流狀态(tài)。爲了實現對湍(tuān)流的模拟,需要(yao)額外引入湍流(liú)模型。本文選取(qu)RNGk-ε模型作爲湍流(liu)模型,其湍流動(dòng)能h和耗散率ε的(de)輸運方程表示(shi)爲:
式中:Gk表示平(píng)均速度梯度所(suo)産生的湍流動(dòng)能.αε,αk分别表示ε和(hé)h的擴散率,C1ε、C2ε爲系(xi)數。
由于氣流運(yun)動與葉輪旋轉(zhuǎn)存在相互作用(yong),需要引入扭矩(jǔ)模型根據力矩(ju)平衡原理,葉輪(lun)旋轉的運動方(fang)程可以表示爲(wèi):
式中:J爲葉輪慣(guàn)性力矩,單位爲(wei)kg·m2;dɷ/dt爲葉輪角加速(sù)度,單位爲rad/s2;M1爲流(liú)體對葉輪驅動(dòng)力矩;M2爲軸承摩(mó)擦阻力矩,單位(wèi)爲N·m;M3爲黏性阻力(lì)矩,單位爲N·m;M4爲磁(ci)阻力矩,單位爲(wei)N·m;t爲時間,單位爲(wei)s。
采用Fluent軟件求解(jie)流量計内部氣(qi)流的運動方程(chéng)。爲了消除管道(dao)進口段效應對(dui)模拟結果的影(yǐng)響,在流量計的(de)進出口均增加(jia)了10D的直管段(D爲(wei)機芯直徑)。由于(yú)給定了流體的(de)體積流量,進口(kǒu)采用速度進口(kǒu)邊界條件,進口(kǒu)平均速度通過(guo)u=Qv/A确定,方向與進(jin)口直管段截面(miàn)垂直;出口爲大(dà)氣壓,壁面采用(yong)無滑移邊界。爲(wei)了求解葉輪旋(xuan)轉運動方程,把(bǎ)整個計算區域(yu)分解爲靜區域(yù)和葉輪旋轉的(de)動區域,動區域(yu)和靜區域之間(jiān)采用多重參考(kǎo)模型(MRF)耦合葉輪(lún)采用滑移邊界(jie)條件,與旋轉區(qu)域具有相同的(de)轉速。葉輪旋轉(zhuan)區域與前後靜(jìng)區域之間的表(biao)面定義爲interface邊界(jie),便于與其他流(liú)域進行信息交(jiāo)換。
2.2測試方法
測(ce)試采用标準表(biao)法氣體流量标(biāo)準裝置。實驗裝(zhuāng)置主要由羅茨(ci)流量計、氣體渦(wō)輪流量計、穩壓(ya)氣罐、氣動閥門(mén)、氣泵和控制系(xi)統等組成,如圖(tú)2所示。實驗通過(guo)遠程操作PLC設備(bei),調節氣動閥門(mén)的開度,實現對(dui)氣體體積流量(liàng)的控制。羅茨流(liu)量計作爲标準(zhun)表,其工作量程(chéng)爲0~250m3/h,流量控制精(jing)度爲0.5級。氣體渦(wō)輪流量計作爲(wèi)待測流量計,其(qí)測量精度等級(ji)爲1級,工作量程(chéng)爲13m3/h~250m3/h,量程比爲20:1。差(chà)壓計的兩個.測(cè)壓口分别安裝(zhuāng)在待測流量計(ji)的前後直管段(duan)3D處,其量程範圍(wei)爲土3000Pa.測量精度(du)等級爲1級。氣泵(bèng)與氣動閥門相(xiàng)連,能夠産生相(xiàng)對穩定的負壓(ya)。根據國家計量(liàng)檢定标準,氣體(ti)渦輪流量計需(xu)檢定13m3/h、50m3/h、100m3/h和250m3/h等特征(zheng)流量點。每個流(liu)量點進行多次(cì)測量,實驗結果(guǒ)得到标準表和(he)被測流量計的(de)壓力損失、脈沖(chòng)數、體積流量以(yi)及單流量點的(de)測量時間,數據(ju)處理後得到儀(yi)表系數和最大(dà)示值誤差等指(zhǐ)标,進而評估氣(qi)體渦輪流量計(jì)的計量性能。
3結(jié)果分析與讨論(lun)
3.1方法驗證
根據(jù)氣體渦輪流量(liàng)計的結構設計(ji)圖紙,運用SolidWorks軟件(jiàn)對各部分零件(jiàn)進行組裝建模(mo),将建好的模型(xíng)導入ANSYSWorkBench進行網格(ge)劃分。采用分塊(kuài)化方法劃分網(wǎng)格,直管段采用(yong)結構化網格;由(yóu)于葉輪和後導(dǎo)流體的結構更(gèng)爲複雜,采用非(fei)結構混合網格(gé),并對其進行細(xì)化處理,最後進(jìn)行網格無關性(xing)驗證,如圖3所示(shì)。當網格數量爲(wèi)580萬與670萬時,兩者(zhě)的壓力損失相(xiang)差僅爲21Pa,故本文(wén)選取580萬網格數(shù)量進行後面的(de)數值模拟研究(jiu)。
爲了驗證模拟(ni)方法的可靠性(xing),本文比較了氣(qi)體渦輪流量計(ji)在13m3/h~250m3/h範圍内11個流(liú)量點的壓力損(sun)失,這些流量點(dian)包含了國家計(jì)量檢定标準的(de)4個特征流量點(diǎn),符合實際的流(liu)量檢測要求。由(yóu)圖4可知:在全量(liang)程範圍内,流量(liàng)計壓力損失的(de)模拟結果與實(shi)驗結果十分吻(wěn)合,誤差僅在0~6%範(fan)圍内波動,證實(shí)了所采用的數(shu)值模拟方法和(he)實驗測試方法(fǎ)的可靠性和準(zhǔn)确性,爲後面流(liú)量計的結構改(gǎi)進和性能優化(hua)奠定了基礎。
3.2流(liu)量計内部特征(zheng)分析
爲了獲得(dé)氣體渦輪流量(liàng)計結構改進思(sī)路,首先對優化(hua)前流量計内部(bù)流場進行數值(zhí)模拟。通過在葉(ye)輪旋轉中心截(jie)取水平剖面,得(de)到流場的壓力(lì)場和速度場雲(yun)圖。本文選取流(liú)量點50m3/h、250m3/h作爲分析(xi)對象,對流量計(jì)内部的流場特(te)征進行定量研(yán)究。
由圖5(a)可知:當(dāng)流量爲50m3/h時,流量(liang)計進出口的總(zǒng)壓力損失約爲(wèi)71.4Pa。由于受到前整(zhěng)流器和前導流(liú)體的阻擋作用(yòng),前導流體迎風(feng)面壓力梯度與(yǔ)流動方向相反(fan),邊界層發生分(fen)離現象,造成能(neng)量損失。在表芯(xīn)支座側面,壓力(li)從35.7Pa急劇減至13.2Pa;在(zai)近壁面處出現(xian)了負壓區,導緻(zhì)氣流運動紊亂(luan)。流量計的出口(kou)處出現了明顯(xian)的負壓區,最大(dà)負壓值約爲-14.5Pa,此(cǐ)處壓力梯度與(yu)流體流動方向(xiang)相反,且等壓線(xiàn)分布混亂,流場(chǎng)壓力分布非常(cháng)不均勻,大大增(zēng)加了流動的能(néng)量損失。
由圖5(b)可(kě)知:流體經過表(biao)芯支座時,流道(dào)截面突縮,流體(tǐ)速度從2.95m/s迅速增(zeng)至7.9m/s。由于表芯支(zhi)座結構的特殊(shu)性,經過的流體(ti)無法以垂直角(jiao)度沖擊葉輪,使(shǐ)得用葉輪轉速(sù)計算得到的流(liú)量與實際流量(liàng)存在較大偏差(cha),降低了流量計(jì)的精度。流體流(liu)出葉輪後,由于(yú)後導流體直徑(jìng)大于葉輪輪毂(gū)直徑,流道截面(mian)繼續縮小,氣流(liú)速度繼續增加(jia)。後導流體出口(kǒu)處速度梯度大(da),當流體有旋運(yun)動與壁面分離(lí)時,出現了明顯(xiǎn)的回流現象和(he)尾迹區域。受流(liú)體粘性的影響(xiǎng),尾迹中旋渦的(de)動能逐漸轉換(huan)成熱能進一步(bu)耗散,增加了能(neng)量損失。
圖5(c,d)表示(shì)流量爲250m3/h時流量(liàng)計内部流體的(de)壓力雲圖和速(su)度雲圖。随着流(liu)量的增加,流量(liàng)計内部流體的(de)湍流性質更加(jia)明顯。流量計的(de)壓力損失明顯(xian)增加,壓力損失(shi)約爲1390.5Pa。此時,表芯(xin)支座處的壓力(lì)梯度變化更加(jiā)明顯;後導流體(tǐ)下遊區域的流(liú)場更加紊亂,回(huí)流現象加劇,尾(wei)迹範圍明顯擴(kuo)大。
上述模拟結(jié)果給予我們重(zhong)要提示:表芯支(zhī)座和後導流體(tǐ)的結構對流量(liàng)計性能的影響(xiǎng)非常明顯,可以(yi)通過改進表芯(xin)支座和後導流(liú)體的結構達到(dao)提高流.量計性(xìng)能的目的。在表(biǎo)芯支座的優化(huà)中,可以從減少(shǎo)側面區域壓力(li)梯度驟變的角(jiao)度考慮。在後導(dao)流體的優化中(zhōng),可以從穩定流(liu)場、減弱回流,縮(suo)小負壓區和尾(wei)迹範圍的方向(xiàng)思考。
3.3流量計結(jié)構改進方案
基(ji)于流量計流場(chǎng)特征的分析,将(jiang)原來的表芯支(zhī)座和後導流體(tǐ)結構進行改進(jìn)設計。首先,表芯(xin)支座迎風面一(yī)側的直徑從64mm縮(suō)減至50mm,如圖6(a-b)所示(shì),運用所形成的(de)18.5°坡度來減緩流(liu)體的壓力梯度(du)變化,從而減少(shao)流量計的壓力(li)損失。其次.對後(hòu)導流體的直徑(jìng)進行縮減,如圖(tú)6(d)~圖6(e)所示,直徑從(cóng)原來的66mm減至62mm,以(yi)減小對流出葉(yè)輪流體的阻礙(ài)。最後,運用3D打印(yìn)技術,制作優化(huà)後的表芯支座(zuo)和後導流體模(mo)型成品,如圖6(c)、圖(tu)6(f)所示。
3.4流量計性(xìng)能指标評價
爲(wèi)驗證改進方案(an)的可行性,對改(gǎi)進模型進行仿(pang)真,從流場的角(jiao)度分析其優化(hua)效果。流量點同(tong)樣選取50m3/h、250m3/h作爲分(fen)析對象,流量計(ji)内部流場特征(zheng)如圖7所示。從結(jié)構整體優化的(de)模拟結果可以(yi)看出:由于改變(biàn)了表芯支座的(de)坡度使得氣流(liú)更加平緩,其迎(yíng)風面高壓區減(jiǎn)小,側面的負壓(ya)區消失,壓力梯(tī)度驟變的情況(kuang)得到緩解;後導(dǎo)流體下遊區域(yu)流場紊亂的現(xiàn)象也得到明顯(xiǎn)改善,壓力分布(bù)變得更均勻;尾(wěi)迹區域的面積(jī)減小,尾迹耗散(san)引起的能量降(jiang)低;流量計出口(kǒu)處的壓力梯度(du)變化更均勻,後(hou)導流體的導流(liú)效果明顯提升(shēng);總壓,力損失明(míng)顯降低,在50m3/h流量(liang)點降低了約46.2%,在(zai)250m3/h流量點降低了(le)約45.8%。
爲進一步驗(yan)證結構改進效(xiào)果,用優化後的(de)表芯支座和後(hòu)導流體成品模(mó)型代替原模型(xíng)中的表芯支座(zuo)和後導流體結(jie)構,安裝進氣體(ti)渦輪流量計進(jin)行實驗測試。根(gen)據《渦輪流量計(jì)檢定規章》,通過(guo)重複實驗獲得(de)多組實驗數據(jù),數據處理後得(dé)到流量計的壓(yā),力損失、儀表系(xì)數、最大示值誤(wù)差等性能指标(biāo),進而評價流量(liang)計的結構優化(hua)效果及其計量(liàng)性能。表1所示爲(wei)實驗測試的數(shu)據處理結果。
首(shou)先,對結構優化(hua)前後流量計壓(yā)力損失的實驗(yan)結果進行分析(xi)。圖8表示原模型(xing)、優化表芯支座(zuò)模型、優化後導(dao)流體模型,以及(ji)整體優化模型(xing)的壓力損失随(sui)着流量變化的(de)規律。随着流量(liàng)的增大,所有流(liu)量計模型的壓(yā)力損失均呈明(míng)顯增大趨勢。兩(liang)個結構優化方(fāng)案均對壓力損(sun)失的降低起到(dào)了作用,當流量(liàng)爲250m3/h時,整體優化(hua)模型将壓力損(sǔn)失降低至.749.8Pa,降低(di)幅度約42.6%,有效地(di)減少流量計在(zai)使用過程的能(néng)耗,提高了流量(liàng)計的性能。
根據(jù)實驗測試數據(ju),運用式(2)、式(3),計算(suan)得到了流量計(jì)的儀表系數K。圖(tú)9所示爲結構優(you)化前後流量計(jì)儀表系數随着(zhe)流量的變化規(guī)律。在小流量情(qíng)況下(0~50m3/h),儀表系數(shù)起伏很明顯,這(zhe)主要由于流量(liang)計受葉輪慣性(xing)力、流體阻力以(yǐ)及機械阻力等(děng)因素的影響而(er)造成;相對而言(yán)整體優化模型(xíng)的儀表系數較(jiao)好。在大流量情(qing)況下(50m3/h~250m3/h),四個模型(xing)的儀表系數都(dōu)較爲平整;相對(duì)于原模型,三種(zhǒng)優化模型的儀(yí)表系數都更趨(qū)于恒定,這表明(ming)優化表芯支座(zuò)和後導流體結(jié)構可以提高流(liú)量計測量的精(jing)度。
爲了定量表(biao)征儀表系數的(de)穩定性,根據式(shì)(4),文章計算得到(dao)了流量計的最(zui)大示值誤差。由(yóu)表1可知:優化後(hòu)導流體後流量(liang)計的最大示值(zhi)誤差降至0.242%,降低(dī)了約17.7%。優化表芯(xīn)支座不能明顯(xiǎn)降低流量計的(de)最大示值誤差(cha),其線性度誤差(cha)約爲0.283%。在同時優(yōu)化表芯支座和(he)後導流體的情(qíng)況下,最大示值(zhí)誤差明顯減小(xiao),降幅約爲22.45%。這表(biǎo)明本文所提出(chū)的優化方案可(kě)以明顯提升流(liú)量計儀表系數(shù)的穩定性。
結論(lun)
采用CFD數值模拟(ni)方法,氣體渦輪(lun)流量計内部的(de)流場特征,進而(er)提出了關于流(liú)量計表芯支座(zuò)和後導流體的(de)結構優化方案(an)。基于标準表法(fa)實驗測試技術(shù),比較分析了結(jié)構優化前後流(liu)量計的壓力損(sun)失、儀表系數以(yi)及線性度誤差(chà)等性能指标。研(yan)究結果如下:
①數(shu)值結果表明:表(biǎo)芯支座側面的(de)壓力梯度驟變(bian)和後導流體尾(wěi)部的回流和尾(wei)流特征是影響(xiang)氣體渦輪流量(liang)計性能的主要(yào)因素。
②實驗結果(guǒ)表明:對表芯支(zhi)座和後導流體(tǐ)結構單獨優化(huà)後,氣體渦輪流(liú)量計的壓力損(sǔn)失分别降低約(yue)24.2%和17.8%、最大示值誤(wù)差分别降低約(yuē)17.7%和3.7%。
③對表芯支座(zuo)和後導流體整(zheng)體優化後,氣體(tǐ)渦輪流量計的(de)性能得到了進(jin)一步提高,總的(de)壓力損失降低(di)約43.61%,總的最大示(shì)值誤差減小約(yuē)22.45%
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