石麗建¹劉新泉²湯方平¹ 姚悅鈴³謝榮盛¹張文鵬¹

1 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院　揚(yáng)州 225100；

2 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司　揚(yáng)州 225100；

3 浙江同濟(jì)科技學(xué)院信息系　杭州 311231

摘要：為探求雙向豎井流道水力設(shè)計(jì)方法和完善雙向豎井流道優(yōu)化型式，對(duì)雙向豎井流道進(jìn)行內(nèi)外型線(xiàn)及分叉段型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型和雷諾時(shí)均的N-S方程，結(jié)合龍山水力樞紐工程運(yùn)用CFD軟件對(duì)雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算并比較了不同豎井出水流道方案的水力損失，揭示了不同方案豎井流道內(nèi)部各段水力損失分布規(guī)律，比較分析了不同方案豎井出水流道內(nèi)部流場(chǎng)及速度分布規(guī)律，最后結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了雙向豎井流道優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。優(yōu)化結(jié)果表明：豎井分叉段設(shè)計(jì)好壞直接決定豎井后半段水力損失，通過(guò)調(diào)整豎井內(nèi)外輪廓線(xiàn)可以有效減小豎井出水流道的水力損失，提升貫流泵裝置外特性。優(yōu)化后豎井貫流泵裝置反向運(yùn)行最高效率達(dá)60.5％，較優(yōu)化前提高3.7％；正向效率達(dá)到72.18％，較優(yōu)化前提高1.67％。模型試驗(yàn)反向運(yùn)行最高效率57.56％，正向運(yùn)行最高效率72.67％。

關(guān)鍵詞：雙向泵；豎井流道；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)值計(jì)算

Optimize Design and Experimental Analysis of Bidirectional Shaft Tubular Pump Device

Shi Lijian¹Liu Xinquan² Tang Fangping¹Yao Yuelin³Xie Rongsheng¹Zhang Wenpeng¹

(1.School of Hydraulic Energy and Power Engineering , Yangzhou University ,Yangzhou 225100, China 2. Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co. Ltd, Yangzhou 225100, China 3.Zhejiang Tongji Vocational College of Science and Technology, Hangzhou 311231, China）

Abstract: To explore hydraulic design method and improve optimization type of the bidirectional shaft passage, this paper do the optimization design research of inside and outside line and bifurcation segment type of the bidirectional shaft passage. Based on the standard k-ε turbulence model and the reynolds averaged N-S equation, combined longsan hydraulic project using CFD software to optimize and design the bidirectional shaft tubular pump device. Calculate and compare the hydraulic loss and velocity distribution in different shaft outlet conduit schemes, reveals the different segments hydraulic loss distribution of different shaft outlet conduit schemes. Finally, combined with the model test results, confirmed the reliability of the optimization design of the bidirectional shaft flow passage. Optimization results show that the shaft bifurcated segment design directly determines the hydraulic loss of the latter part shaft passage. Through adjusting the shaft inner and outer contour lines can effectively reduce the hydraulic loss of the shaft outlet conduit, and enhance the tubular pump device hydraulic characteristics. The efficiency curve of the optimized scheme is higher, and the range of the high efficiency area is wider than that of the initial scheme, and the lift curve is also slightly higher than the initial scheme. After optimization, the maximum reverse operation efficiency of the shaft tubular pump system is up to 60.5％, which is increased by 3.7％ compared with the prior optimization, and the forward operation efficiency is 72.18％, which is improved by 1.67％. The highest efficiency of reverse operation and forward operation model test is 57.56％ and 72.67％. This paper will provide guidance for optimization design of low head bidirectionaltubular pump device.

Key words:bidirectional pump；shaft passage；optimization design；numerical calculation

0　引言

隨著南水北調(diào)東線(xiàn)工程的興建，以及對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)排澇、城市防洪的重視，近幾年來(lái)在沿河、沿江等地區(qū)已興建了一批揚(yáng)程在0～2m的大型泵站。這種超低揚(yáng)程泵站大多采用的是豎井貫流泵裝置^`1-4`。豎井貫流泵裝置電機(jī)安裝于豎井內(nèi)，是介于燈泡貫流泵裝置和軸伸貫流泵裝置之間的一種新型特低揚(yáng)程泵站結(jié)構(gòu)型式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、進(jìn)出水流道順直、裝置效率相對(duì)較高，且開(kāi)挖深度小、工程投資少，便于維護(hù)管理。

對(duì)于豎井貫流泵裝置的研究，國(guó)內(nèi)外已有不少報(bào)道。謝偉東等^`5`、陳容新等^`6`比較分析了幾組泵裝置型式，得出對(duì)于低揚(yáng)程泵站采用豎井貫流泵裝置型式具有諸多優(yōu)點(diǎn)。陸林廣等^`7`指出泵裝置流道水力損失占比較大，應(yīng)著重提高流道效率。成立等^`8`對(duì)雙向豎井貫流泵裝置進(jìn)行了三維湍流數(shù)值模擬。張仁田^`9`通過(guò)對(duì)雙向泵裝置的CFD計(jì)算，得出進(jìn)口速度均勻度與裝置最優(yōu)效率點(diǎn)呈正相關(guān)。劉軍、劉君等^`10-11`比較了豎井前置和豎井后置對(duì)泵裝置水力性能的影響，并得出豎井前置優(yōu)于豎井后置。徐磊等^`12`分析了豎井貫流泵裝置內(nèi)部流態(tài)。此外還有一些學(xué)者對(duì)豎井貫流泵裝置進(jìn)出水流道進(jìn)行了優(yōu)化分析^`13-20`，得出豎井作為出水流道時(shí)流態(tài)紊亂，豎井喉部流道水力損失較大，豎井貫流泵裝置應(yīng)盡可能降低豎井流道水力損失，提高裝置效率。

對(duì)于揚(yáng)程低于2m的特低揚(yáng)程泵站中泵裝置的性能很大一部分取決于流道的水力損失。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合龍山水力樞紐雙向貫流泵站，采用CFD數(shù)值模擬手段對(duì)豎井出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)豎井喉部形狀進(jìn)行比較分析，以及通過(guò)增加后導(dǎo)葉改善出水流態(tài)、提高泵站運(yùn)行穩(wěn)定性，最后通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1工程概況

龍山控制樞紐工程主要任務(wù)是防洪排澇、改善市區(qū)的水環(huán)境。龍山水利樞紐工程包括泵站和節(jié)制閘，節(jié)制閘共2孔，單孔凈寬12m，泵站為雙向泵站，正向排水、反向引水，設(shè)計(jì)總排水流量70m3/s。泵站采用5臺(tái)豎井貫流泵，單機(jī)正向排水流量14m3/s，反向引水單機(jī)流量12.5m³/s，節(jié)制閘與泵站采用集中緊湊型的“合建”布置方案。泵站采用平直管進(jìn)出水流道，快速閘門(mén)斷流，主電機(jī)的供電電壓等級(jí)為10 kV，單機(jī)容量約500 kW，轉(zhuǎn)速118 r/min。龍山水利樞紐工程運(yùn)行水位及凈揚(yáng)程見(jiàn)表1。

表1 泵站運(yùn)行水位及凈揚(yáng)程

Tab.1Running level and head of pump station

根據(jù)泵站初步設(shè)計(jì)要求，雙向泵流道門(mén)槽及攔污柵的水力損失為0.3m。考慮流道門(mén)槽及攔污柵損失之后，得到豎井貫流泵裝置各特征揚(yáng)程，如表2 所示。

表2 泵站運(yùn)行特征揚(yáng)程

Tab.2Special running head of pump station

2 泵裝置數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

豎井貫流泵裝置數(shù)值模擬計(jì)算域包括進(jìn)水流道、雙向泵葉輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)水錐和出水流道。本文數(shù)值模擬計(jì)算以原型泵裝置為基礎(chǔ)，泵裝置總長(zhǎng)32 m。正向運(yùn)行時(shí)豎井為進(jìn)水流道，導(dǎo)葉為后置導(dǎo)葉；反向運(yùn)行時(shí)豎井為出水流道，導(dǎo)葉為前置導(dǎo)葉。雙向泵葉輪直徑D=2400 mm，額定轉(zhuǎn)速n=118 r/min，輪轂比為0.4，葉片數(shù)為4，葉頂間隙設(shè)置為1.6 mm，導(dǎo)葉葉片數(shù)為5。葉輪導(dǎo)葉直接采用Turbo-Grid 建模，其余通流部件均采用UG建模，原型泵裝置如圖1 所示。

圖1 豎井貫流泵裝置圖

Fig.1Compute model of bidirectional shaft tubular pump

雙向泵葉輪和導(dǎo)葉在Turbo-Grid中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，經(jīng)檢驗(yàn)，網(wǎng)格質(zhì)量較好，同時(shí)能夠滿(mǎn)足正交性要求。進(jìn)出水流道和導(dǎo)水錐在ICEM 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.4 以上，質(zhì)量較好，滿(mǎn)足計(jì)算要求。對(duì)泵裝置進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)泵裝置網(wǎng)格增加至一定數(shù)量時(shí)，泵裝置效率值趨于穩(wěn)定不再隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加而增加。在滿(mǎn)足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求時(shí)，取泵裝置雙向葉輪網(wǎng)格數(shù)48萬(wàn)左右，導(dǎo)葉網(wǎng)格數(shù)40萬(wàn)左右，豎井流道網(wǎng)格數(shù)為86.62萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)285萬(wàn)左右。葉輪和導(dǎo)葉網(wǎng)格如圖2 所示。

（a）導(dǎo)葉（b）葉輪

圖2葉輪和導(dǎo)葉網(wǎng)格圖

Fig.2 Impeller and guide vane grid graph

2.2邊界條件

控制方程采用雷諾時(shí)均N-S方程，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，計(jì)算采用“stage”交界面模型處理葉輪與進(jìn)水流道、導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜耦合參數(shù)傳遞，靜靜交界面采用None 交界面類(lèi)型。因?yàn)橐栽脱b置進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，考慮進(jìn)出水流道混凝土表面粗糙度2.5 mm。計(jì)算域進(jìn)口邊界條件設(shè)置為總壓條件，總壓設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計(jì)算域出口邊界設(shè)置為質(zhì)量流量出口，葉輪設(shè)為旋轉(zhuǎn)域，其中葉輪輪緣壁面邊界設(shè)置為相對(duì)于葉輪反向同速旋轉(zhuǎn)，其余計(jì)算域均為靜止域。

2.3 豎井出水流道優(yōu)化

豎井流道作為進(jìn)水流道時(shí)，優(yōu)化進(jìn)水流道對(duì)泵裝置性能影響不大，故在豎井流道優(yōu)化時(shí)以反向性能性能為主。在豎井出水流道優(yōu)化過(guò)程中帶泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

優(yōu)化目標(biāo)主要考慮豎井出水流道設(shè)計(jì)工況點(diǎn)水力損失最小、泵裝置效率最高，同時(shí)兼顧出水流道流場(chǎng)分布。流道水力損失計(jì)算公式為

式中△h —水力損失

P_out、P_in—豎井流道進(jìn)、出口的總壓

ρ為水的密度

g 為重力加速度

初步設(shè)計(jì)方案記做方案 1（FA1），不斷改變豎井內(nèi)外輪廓線(xiàn)以致水力損失最小記做方案2（FA2），在方案2 的基礎(chǔ)上改變豎井內(nèi)側(cè)喉部圓弧過(guò)渡記做方案3（FA3），在方案2 的基礎(chǔ)上改變豎井內(nèi)側(cè)喉部為尖頭記做方案4（FA4），在方案2的基礎(chǔ)上在豎井出水流道進(jìn)口加5片直導(dǎo)葉記做方案5（FA5），各方案豎井流道如圖3 所示。

(a)FA1 (b)FA2 (c)FA3 (d)FA4 (e)FA5

圖3豎井出水流道圖

Fig.3Shaft outlet passage graph

2.4數(shù)值計(jì)算結(jié)果

豎井作為出水流道時(shí)，由 FA1 至FA2 改變豎井內(nèi)外輪廓線(xiàn)，尤其是喉部線(xiàn)型，以流道斷面面積逐漸變大、水流速度逐漸減小為原則，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，出水流道水力損失最小確定最終的FA2。各方案設(shè)計(jì)工況下水力損失計(jì)算結(jié)果如表3所示。為了更方便地 比較分析豎井出水流道內(nèi)水力損失分布，將各方案豎井內(nèi)各段水力損失取出。其中出口為豎井流道的出口，進(jìn)口為豎井流道的進(jìn)口。如圖4所示。

表3 不同設(shè)計(jì)方案出水流道水力損失

Tab.3 Outlet passage hydraulic loss of different design schemes

(a)計(jì)算斷面示意圖(b)分段水力損失

圖4數(shù)井出水流道分段計(jì)算結(jié)果

Fig.4Each section hydraulic loss of shaft passage

根據(jù)表3，由初始方案到方案2，通過(guò)不斷調(diào)整豎井流道內(nèi)外輪廓線(xiàn)，水力損失降幅達(dá)到7.5cm，優(yōu)化效果較為明顯。方案2總的水力損失最小，加入直導(dǎo)葉后帶來(lái)很大的流道損失。改變豎井流道內(nèi)側(cè)分叉口形狀效果并不理想。根據(jù)圖4可知，從方案1至方案5主要水力損失都發(fā)生在豎井喉部分叉口位置，說(shuō)明豎井喉部極為重要，也是豎井流道水力損失最為嚴(yán)重的區(qū)域，今后豎井貫流泵站豎井流道的優(yōu)化應(yīng)著重優(yōu)化該區(qū)域的水力損失。通過(guò)方案2、方案3和方案4在豎井分叉段水力損失對(duì)比可知，豎井內(nèi)側(cè)分叉位置改變形狀對(duì)環(huán)量回收和水力損失減小并無(wú)益處。根據(jù)第1段水力損失對(duì)比可知，方案5在豎井進(jìn)口側(cè)加入5片直導(dǎo)葉會(huì)帶來(lái)很?chē)?yán)重的水力損失，高達(dá)25cm，為其他方案該區(qū)域水力損失的5倍之多。根據(jù)分段水力損失圖還可以看出，在第6個(gè)斷面以后各段水力損失均比較小，其中方案5最小，方案2次之，說(shuō)明葉輪出口環(huán)量主要靠豎井分叉和豎井通道回收，豎井分叉段設(shè)計(jì)越好，回收環(huán)量越多，豎井后半段水力損失就越小。將各設(shè)計(jì)方案流線(xiàn)圖取出如圖5所示。

(a)FA1(b)FA2(c)FA3(d)FA4(e)FA5

圖5 各工況流線(xiàn)圖

Fig.5Streamline chart of different flow condition

由圖5可知，初始方案流場(chǎng)非常紊亂，通過(guò)型線(xiàn)的改變流態(tài)較好，流速分布較為均勻。加入導(dǎo)葉后的方案5流態(tài)最好，且流線(xiàn)沒(méi)有呈螺旋狀，說(shuō)明了直板導(dǎo)葉回收了絕大部分葉輪出口的速度環(huán)量。方案3豎井內(nèi)側(cè)改成圓弧后，由于在豎井分叉段內(nèi)側(cè)斷面面積增加，流速撞擊區(qū)域加大，產(chǎn)生了局部速度較大的區(qū)域，并且出現(xiàn)回流，導(dǎo)致該區(qū)域水力損失較大。方案4流場(chǎng)更為紊亂，流線(xiàn)呈螺旋狀，說(shuō)明分叉段改成錐形回收環(huán)量能力降低，導(dǎo)致豎井流道水力損失增加。將方案2和方案1反向設(shè)計(jì)工況下豎井流道內(nèi)部流速分布圖取出對(duì)比分析如圖6所示。

(a)FA1 (b)FA2

圖6豎井流道各斷面流速分布云圖

Fig.6Velocity distribution of shaft passage

根據(jù)圖6，分析比較初始方案和優(yōu)化方案豎井出水流道內(nèi)流速在3～4m/s的速度分布云圖可知，初始方案內(nèi)外輪廓線(xiàn)設(shè)置不夠合理，從豎井進(jìn)口到出口出現(xiàn)流速忽大忽小的情況，必然會(huì)帶來(lái)較大的流道損失，甚至?xí)霈F(xiàn)局部漩渦區(qū)，加大機(jī)組振動(dòng)及泵站運(yùn)行噪聲。優(yōu)化方案流速分布較為合理，從葉輪進(jìn)口開(kāi)始在該速度范圍的區(qū)域越來(lái)越小。

選擇方案2和初始方案做進(jìn)一步對(duì)比分析。分別計(jì)算初始方案和方案2在0.6Q、0.8Q、Q、1.1Q、1.3Q流量工況下水力特性，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。Q為設(shè)計(jì)流量，正向設(shè)計(jì)流量為12.5m³/s，反向設(shè)計(jì)流量為14 m³/s。

（a）反向性能曲線(xiàn) （b）正向性能曲線(xiàn)

圖7雙向泵裝置性能曲線(xiàn)

Fig.7Hydraulic curves of bidirectional pump device

根據(jù)圖7反向性能曲線(xiàn)可知，優(yōu)化后的方案效率曲線(xiàn)整體較高，高效區(qū)范圍較初始方案寬，揚(yáng)程曲線(xiàn)也略高于初始方案；反向性能曲線(xiàn)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，效率最高，由初始方案的56.760.5％，效率提高3.8％，優(yōu)化效果明顯。正向運(yùn)行時(shí)，豎井流道作為進(jìn)水流道，水力損失較小，優(yōu)化前、后揚(yáng)程曲線(xiàn)基本重合，優(yōu)化后效率達(dá)到72.18％，較優(yōu)化前提高1.67％。

３ 模型試驗(yàn)分析

龍山泵站為雙向豎井貫流泵裝置，正向運(yùn)行時(shí)進(jìn)水采用雙向豎井流道進(jìn)水，出水采用圓變方直管出水流道。葉輪為雙向泵水力模型，模型泵名義葉輪直徑D＝300mm，實(shí)際葉輪直徑D＝299.65mm，水泵裝置模型比例為1：8。模型葉輪輪轂比為0.4，葉片數(shù)為4，用黃銅材料經(jīng)數(shù)控加工成型。模型導(dǎo)葉輪轂直徑為120mm，葉片數(shù)為5，用鋼質(zhì)材料焊接成型。豎井流道采用鋼板焊接制作，模型泵葉輪室和豎井流道開(kāi)有觀察窗，便于觀測(cè)葉片和豎井流道內(nèi)的水流和汽蝕。將設(shè)計(jì)方案2的各通流部件加工成型，模型泵裝置如圖8所示。模型泵安裝檢查，導(dǎo)葉體與葉輪室定位面軸向跳動(dòng)0.10mm，輪轂外表面徑向跳動(dòng)0.08mm，葉頂間隙控制在0.20mm以?xún)?nèi)。模型泵葉輪直徑300mm，根據(jù)nD值相等的原則（n表示轉(zhuǎn)速），得到模型裝置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速944 r/min。試驗(yàn)條件數(shù)值模擬計(jì)算保持一致。雙向豎井貫流泵裝置模型試驗(yàn)在高精度實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)方法按照《水泵模型及裝置模型驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》SL140-2006執(zhí)行。

(a)葉輪 （b）導(dǎo)葉 （c）泵裝置圖

圖8 模型試驗(yàn)裝置圖

Fig.8Model test pump device

將模型泵裝置試驗(yàn)性能曲線(xiàn)根據(jù)相似公式換算成原型泵裝置曲線(xiàn)，公式為

式中，Q_p-原型泵流量，H_p-原型泵揚(yáng)程，Q_m-模型泵流量，H_m-模型泵揚(yáng)程，D_p-原型泵直徑，D_m-模型泵直徑，n_p-原型泵轉(zhuǎn)速，n_m-模型泵轉(zhuǎn)速將方案2雙向豎井模型泵裝置能量性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)上述式（2）和式（3）換算成原型泵裝置性能曲線(xiàn)，并與原型泵裝置數(shù)值模擬結(jié)果作對(duì)比分析，如圖9所示。

（a）反向運(yùn)行裝置性能曲線(xiàn)（b）正向運(yùn)行裝置性能曲線(xiàn)

圖9 雙向泵裝置性能曲線(xiàn)對(duì)比圖

Fig.9Hydraulic comparison of bidirectional pump device

根據(jù)圖9的泵裝置能量性能曲線(xiàn)可知，在該葉片角度下，反向試驗(yàn)最高效率達(dá)到57.56％，數(shù)值模擬最高效率達(dá)到60.5％，誤差3％，滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。正向最高效率達(dá)到72.67％，數(shù)值模擬最高效率點(diǎn)72.18％，誤差范圍較小。說(shuō)明了數(shù)值模擬的可靠性，同時(shí)也證實(shí)了豎井流道的優(yōu)化效果。泵站正向運(yùn)行時(shí)，豎井前置作為進(jìn)水流道運(yùn)行，導(dǎo)葉后置可有效回收葉輪出口環(huán)量，因此正向泵裝置效率較高；反向運(yùn)行時(shí)，豎井后置作為出水流道運(yùn)行，豎井流道水力損失較大，占比較大，泵裝置效率較低。因此對(duì)于低揚(yáng)程豎井泵站而言，降低豎井流道的水力損失，可有效提高泵裝置運(yùn)行效率。

4結(jié)論

（1）對(duì)豎井出水流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)比多個(gè)豎井設(shè)計(jì)方案，豎井流道分叉段內(nèi)外輪廓線(xiàn)對(duì)流道水力損失影響較大，且直接影響豎井流道后半段水力損失。對(duì)于特低揚(yáng)程雙向泵站而言，減小豎井出水流道水力損失對(duì)提高泵裝置效率有著重要意義。

（2）通過(guò)對(duì)豎井出水流道水力性能優(yōu)化，優(yōu)化后泵裝置反向效率達(dá)到60.5％，較優(yōu)化前提高3.8％；正向效率達(dá)到72.18％，較優(yōu)化前提高1.67％。通過(guò)對(duì)豎井的優(yōu)化，降低了泵站運(yùn)行成本，優(yōu)化效果明顯。

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作者簡(jiǎn)介：石麗建（1989-），男，博士生，主要從事流體功能曲面的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)究，E-mail：yzdxslj@126.com

通信作者：湯方平(1964-)，男，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械設(shè)計(jì)、復(fù)雜工程系統(tǒng)科學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)和泵站自動(dòng)化研究。E-mail:tangfp@yzu.edu.cn

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