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空气动力学基础

作者:尊龙现金娱人生就是 发布时间:2020-07-27 00:57 点击数:

  空气动力学基础_企业管理_经管营销_专业资料。第二章 低速空气动力学基础 本章主要内容 2.1 低速空气动力学 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 增升装置的增升原理 第二章 第 2 页 2.1 空气流动的描述 空气动力是空气相

  第二章 低速空气动力学基础 本章主要内容 2.1 低速空气动力学 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 增升装置的增升原理 第二章 第 2 页 2.1 空气流动的描述 空气动力是空气相对于飞机运动时产生的,要学习 和研究飞机的升力和阻力,首先要研究空气流动的基 本规律。 第二章 第 4 页 2.1.1 流体模型化 ① 理想流体,不考虑流体粘性的影响。 ② 不可压流体,不考虑流体密度的变化,Ma0.4。 ③ 绝热流体,不考虑流体温度的变化,Ma0.4。 第二章 第 5 页 2.1.2 相对气流 相对气流方向 自然风方向 运动方向 第二章 第 6 页 ●飞机的相对气流方向与飞行速度方向相反 只要相对气流速度相同,飞机产生的空气动力就相同。 第二章 第 7 页 ●对相对气流的现实应用 直流式风洞 回流式风洞 第二章 第 8 页 ●风洞实验段及实验模型 第二章 第 9 页 ●风洞的其它功用 第二章 第 10 页 2.1.3 迎角 迎角就是相对气流方向与翼弦之间的夹角。 第二章 第 11 页 ●相对气流方向就是飞机速度的反方向 第二章 第 12 页 ●相对气流方向是判断迎角大小的依据 平飞中,可以通过机头高低判断迎角大小。而其他飞 行状态中,则不可以采用这种判断方式。 第二章 第 13 页 ●水平飞行、上升、下降时的迎角 上升 平飞 下降 第二章 第 14 页 ●迎角探测装置 第二章 第 15 页 2.1.4 流线和流线谱 空气流动的情形一般用流线、流管和流线谱来描述。 流线:流场中一条空间曲线,在该曲线上流体微团的 速度与曲线在该点的切线重合。对于定常流,流线是 流体微团流动的路线 页 流管:由许多流线所围成的管状曲面。 第二章 第 17 页 ●流线和流线谱 流线谱是所有流线的集合。 第二章 第 18 页 ●流线和流线谱的实例 第二章 第 19 页 ●流线的特点 ? 该曲线上每一点的流体微团速度与曲线在该点的切线 重合。 ? 流线每点上的流体微团只有一个运动方向。 ? 流线不可能相交,不可能分叉。 第二章 第 20 页 ●流线谱的特点 ? 流线谱的形状与流动速度无关。 ? 物体形状不同,空气流过物体的流线谱不同。 ? 物体与相对气流的相对位置(迎角)不同,空气流 过物体的流线谱不同。 ? 气流受阻,流管扩张变粗,气流流过物体外凸处或 受挤压 ,流管收缩变细。 ? 气流流过物体时,在物体的后部都要形成涡流区。 第二章 第 21 页 2.1.5 连续性定理 流体流过流管时,在同一时间流过流管任意截面的 流体质量相等。 质量守恒定律是连续性定理的基础。 第二章 第 22 页 ●连续性定理 1 2 A1,v1 A2,v2 单位时间内流过截面1的流体体积为 v1 ? A1 单位时间内流过截面1的流体质量为?1 ? v1 ? A1 同理,单位时间内流过截面2的流体质量为 ?2 ? v2 ? A2 则根据质量守恒定律可得: ?1 ? v1 ? A1 ? ?2 ? v2 ? A2 即 v1 ? A1 ? v2 ? A2 ? C常数 第二章 第 23 页 结论:空气流过一流管时,流速大小与截面积成反比。 河水在河道窄的地方流 ●日常的生活中的连续性定理 得快,河道宽的地方流 得慢 山谷里的风通常比平原大 高楼大厦之间的对流 通常比空旷地带大 第二章 第 24 页 2.1.6 伯努利定理 同一流管的任意截面上,流体的静压与动压之和保 持不变。 能量守恒定律是伯努力定理的基础。 第二章 第 25 页 ●伯努利定理 空气能量主要有四种:动能、压力能、热能、重力势能。 低速流动,热能可忽略不计;空气密度小,重力势能可忽略不计。 因此,沿流管任意截面能量守恒,即为:动能+压力能=常值。公式 表述为: 1 2 ?v ? P ? P0 2 上式中第一项称为动压,第二项称为静压,第三项称为总压。 第二章 第 26 页 ●伯努利定理 1 2 1 2 ?v ? P ? P0 2 ? v 2—动压,单位体积空气所具有的动能。这是一种附加的压 力,是空气在流动中受阻,流速降低时产生的压力。 P —静压,单位体积空气所具有的压力能。在静止的空气中, 静压等于当时当地的大气压。 —总压(全压),它是动压和静压之和。总压可以理解为, 气流速度减小到零之点的静压。 P 0 第二章 第 27 页 ●深入理解动压、静压和总压 同一流线: 总压保持不变。 动压越大,静压越小。 流速为零的静压即为总压。 第二章 第 28 页 ●深入理解动压、静压和总压 同一流管: 截面积大,流速小,压力大。 截面积小,流速大,压力小。 第二章 第 29 页 ●伯努利定理适用条件 ? 气流是连续、稳定的,即流动是定常的。 流动的空气与外界没有能量交换,即空气是绝热的。 空气没有粘性,即空气为理想流体。 空气密度是不变,即空气为不可压流。 在同一条流线或同一条流管上。 ? ? ? ? 第二章 第 30 页 2.1.7 连续性定理和伯努利定理的应用 ① 用文邱利管测流量 1 A1, v1 ,P1 2 A2, v2 ,P2 A2 ? v1 ? v2 文邱利管测流量 ? A1 ? 2 2 ? ? v ? 2 P ? P / ? 1 ? A / A ? ? ? ? ? 2 1 2 2 1 ? ? 1 1 ? ?v2 ? P ? ?v2 ? P 1 1 2 2 ? ?2 2 第二章 第 31 页 ② 空速管测飞行速度的原理 1 2 ? ? ?v ? P ? P 0 2 v? 2( P0 ? P) 第二章 第 32 页 ? ③ 与动压、静压相关的仪表 空速表 高度表 升降速度表 第二章 第 33 页 ●空速表 第二章 第 34 页 ●升降速度表 第二章 第 35 页 ●高度表 第二章 第 36 页 本章主要内容 2.1 空气流动的描述 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 飞机的低速空气动力特性 2.5 增升装置的增升原理 第二章 第 37 页 2.2 升力 升力垂直于飞行速度方向,它将飞机支托在空中, 克服飞机受到的重力影响,使其自由翱翔。 升力 Lift 拉力 阻力 Pull Drag 重力 Weight 第二章 第 39 页 2.2.1 升力的产生原理 相同的时间,相同的起点和终点,小狗的速度和人 的速度哪一个更快? 起 点 终 点 第二章 第 40 页 ●升力的产生原理 前方来流被机翼分为 了两部分,一部分从 上表面流过,一部分 从下表面流过。 由连续性定理或小狗 与人速度对比分析可 知,流过机翼上表面 的气流,比流过下表 面的气流的速度更快。 第二章 第 41 页 ●升力的产生原理 2 1 P ? ? ? ? v 1 1 ?P 0 2 P1 v1 P2 v2 2 1 P ? ? ? ? v 2 2 ?P 0 2 P 1 ? ? ? ?v ? P 2 ? ? ? ?v 1 2 2 1 1 2 2 2 v1 ? v2 第二章 第 42 页 P 1 ? P 2 ●升力的产生原理 上下表面出现的压力差,在垂直于(远前方)相对气 流方向的分量,就是升力。 机翼升力的着力点,称为压力中心(Center of Pressure) 第二章 第 43 页 2.2.2 翼型的压力分布 ① 矢量表示法 当机翼表面压强低于大气压,称为吸力。 当机翼表面压强高于大气压,称为压力。 用矢量来表示压力或吸力,矢量线段长度为力的大小,方向为 力的方向。 第二章 第 44 页 ●驻点和最低压力点 A点,称为驻点,是正压最大的点,位于机翼前缘附近,该处气流 流速为零。 B点,称为最低压力点,是机翼上表面负压最大的点。 第二章 第 45 页 ② 坐标表示法 从右图可以看出,机翼升力的产 生主要是靠机翼上表面吸力的作用, 尤其是上表面的前段,而不是主要 靠下表面正压的作用。 第二章 第 46 页 2.2.3 升力公式 L ? CL ? ?V ? S 1 2 2 CL 1 2 —飞机的升力系数 ?V 2 —飞机的飞行动压 —机翼的面积。 S 第二章 第 47 页 ●升力公式的物理意义 L ? CL ? ?V ? S 1 2 2 飞机的升力与升力系数、来流动压和机翼面积成正比。 升力系数综合的表达了机翼形状、迎角等对飞机升 力的影响。 第二章 第 48 页 本章主要内容 2.1 空气流动的描述 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 增升装置的增升原理 第二章 第 49 页 2.3 阻力 阻力是与飞机运动轨迹平行,与飞行速度方向相反 的力。阻力阻碍飞机的飞行,但没有阻力飞机又无法 稳定飞行。 升力 Lift 拉力 阻力 Pull Drag 重力 Weight 第二章 第 51 页 ●阻力的分类 对于低速飞机,根据阻力的形成原因,可将阻力 分为: ?摩擦阻力(Skin Friction Drag) ?压差阻力(Form Drag) ?干扰阻力(Interference Drag) ?诱导阻力(Induced Drag) 废阻力 (Parasite Drag) 升力 第二章 第 52 页 粘性 2.3.1 低速附面层 ① 附面层的形成 附面层,是气流速度从物面处速度为零逐渐增加到 99%主流速度的很薄的空气流动层。 速度 不受干扰的主流 附面层边界 物体表面 第二章 第 53 页 ●附面层厚度较薄 第二章 第 54 页 ●无粘流动和粘性流动 附面层的形成是受到粘性的影响。 无粘流动 沿物面法线方向速度一致 粘性流动 沿物面法线方向速度不一致 “附面层” 第二章 第 55 页 ② 附面层的特点 I. 附面层内沿物面法向方向压强不变且等于法线 页 只要测出附面层边界主流的静压,便可得到物面各点的静 压,它使理想流体的结论有了现实意义。 II. 附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。 l? ?? ? l 第二章 第 57 页 ? II. 附面层厚度随气流流经物面的距离增长而增厚。 l? ?? ? l ? 第二章 第 58 页 III. 附面层的特点三 附面层分为层流附面层和紊流附面层,层流在前, 紊流在后。层流与紊流之间的过渡区称为转捩点。 转捩点 层流附 面层 紊流附面层 第二章 第 59 页 ●层流的不稳定性 AI ? AII 1 a vI ? vII 2 PI ? PII 3 AI AII vI vII PI PII b c 第二章 第 60 页 ●层流附面层和紊流附面层的速度型 第二章 第 61 页 2.3.2 阻力的产生 ?摩擦阻力(Skin Friction Drag) ?压差阻力(Form Drag) ?干扰阻力(Interference Drag) ?诱导阻力(Induced Drag) 废阻力 (Parasite Drag) 升力 第二章 第 62 页 粘性 ① 摩擦阻力 由于紧贴飞机表面的空气受到阻碍作用而流速降低到零,根据 作用力与反作用力定律,飞机必然受到空气的反作用。这个反作 用力与飞行方向相反,称为摩擦阻力。 第二章 第 63 页 ●影响摩擦阻力的因素 摩擦阻力的大小与附面层的类型密切相关,此外还取决于空 气与飞机的接触面积和飞机的表面状况。 ? ? ? 紊流附面层的摩擦阻力比层流附面层的大。 飞机的表面积越大,摩擦阻力越大。 飞机表面越粗糙,摩擦阻力越大。 第二章 第 64 页 ●摩擦阻力在飞机总阻力构成中占的比例较大 摩擦阻力占总阻力的比例 超音速战斗机 大型运输机 小型公务机 25-30% 40% 50% 水下物体 船舶 70% 90% 第二章 第 65 页 ② 压差阻力 压差阻力是由处于流动空气中的物体的前后的压 力差,导致气流附面层分离,从而产生的阻力。 第二章 第 66 页 I. 顺压梯度与逆压梯度 顺压:A到B,沿流向压力逐渐减小,如机翼上表面前段。 逆压:B到C,沿流向压力逐渐增加,如机翼上表面后段。 B C A 第二章 第 67 页 II. 附面层分离 在逆压梯度作用下,附面层底层出现倒流,与上层顺流 相 互作用,形成漩涡脱离物体表面的现象。 分离点 第二章 第 68 页 ●分离区的特点一 分离区内漩涡是一个个单独产生的,它导致机翼的振动。 第二章 第 69 页 ●分离区的特点二 分离区内压强几乎相等,并且等于分离点处的压强。 P分离点 = P1 = P2 = P3 = P4 第二章 第 70 页 P分离点 P1 P2 P3 P4 ●分离区的特点三 附面层分离的内因是空气的粘性,外因是因物体表面弯曲而 出现的逆压梯度。 PA ? PB ? P C B C A 第二章 第 71 页 ●分离点与最小压力点的位置 最小压力点 分离点 B C A 第二章 第 72 页 ●分离点与转捩点的区别 ? 层流变为紊流(转捩),顺流变为倒流(分离)。 ? 分离可以发生在层流区,也可发生在紊流区。 ? 转捩和分离的物理含义完全不同。 第二章 第 73 页 III. 压差阻力的产生 气流流过机翼后,在机翼的后缘部分产生附面层分离形成涡 流区,压强降低;而在机翼前缘部分,气流受阻压强增大,这样 机翼前后缘就产生了压力差,从而使机翼产生压差阻力。 第二章 第 74 页 ●分离点位置与压差阻力大小的关系 ?分离点靠前,压差阻力大。 ?分离点靠后,压差阻力小。 PB ? P ? P C C B C’ C A 第二章 第 75 页 ●影响压差阻力的因素 总的来说,飞机压差阻力与迎风面积、形状和迎角有关。迎风 面积大,压差阻力大。迎角越大,压差阻力也越大。 压差阻力在飞机总阻力构成中所占比例较小。 第二章 第 76 页 ③ 干扰阻力 飞机的各个部件,如机翼、机身、尾翼的单独阻力之和小于把 它们组合成一个整体所产生的阻力,这种由于各部件气流之间的 相互干扰而产生的额外阻力,称为干扰阻力。 第二章 第 77 页 ●干扰阻力的消除 飞机各部件之间的平滑过渡和整流包皮,可以有效 地减小干扰阻力的大小。 干扰阻力在飞机总阻力中所占比例较小。 第二章 第 78 页 ④ 诱导阻力 由于翼尖涡的诱导,导致气流下洗,在平行于相对气流方向出 现阻碍飞机前进的力,这就是诱导阻力。 第二章 第 79 页 I. 翼尖涡的形成 正常飞行时,下翼面的压强比上翼面高,在上下翼面压强差的作用 下,下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面。 这样形成的漩涡流称为翼尖涡。(注意旋转方向) 第二章 第 80 页 I. 翼尖涡的形成 正常飞行时,下翼面的压强比上翼面高,在上下翼面压强差的作用 下,下翼面的气流就会绕过翼尖流向上翼面,就使下翼面的流线由机 翼的翼根向翼尖倾斜,上翼面反之。 第二章 第 81 页 I. 翼尖涡的形成 由于上、下翼面气流在 后缘处具有不同的流向,于 是就形成旋涡,并在翼尖卷 成翼尖涡,翼尖涡向后流即 形成翼尖涡流。 第二章 第 82 页 ●翼尖涡形成的进一步分析 注意旋转方向 第二章 第 83 页 ●翼尖涡的立体形态 第二章 第 84 页 ●翼尖涡的形态 第二章 第 85 页 II. 下洗流(DownWash)和下洗角 由于两个翼尖涡的存在,会导致在翼展范围内出现一个向下的诱 导速度场,称为下洗。在亚音速范围内,这下洗速度场会覆盖整个 飞机所处空间范围。 第二章 第 86 页 ●下洗角 下洗速度的存在,改变了翼型的气流方向,使流过翼型的气流向 下倾斜,这个向下倾斜的气流称为下洗流,下洗流与相对气流之间 的夹角称为下洗角ε。 第二章 第 87 页 ●下洗速度沿翼展分布 不同平面形状的机翼,沿展向下洗速度的分布是不一样的。 第二章 第 88 页 III. 诱导阻力的产生 有限展长机翼与无限展长机翼相比,由于前者存在翼尖涡和下洗 速度场,导致前者的总空气动力较后者更加后斜,即前者总空气动 力沿飞行速度方向(即远前方相对气流方向)的分量较后者更大。 这一增加的阻力即为诱导阻力。 L L’ D 第二章 第 89 页 ●影响诱导阻力的因素 ?机翼平面形状: 椭圆形机翼的诱导阻力最小。 ?展弦比越大,诱导阻力越小 ?升力越大,诱导阻力越大 ?平直飞行中,诱导阻力与飞行速度平方成反比 ?翼梢小翼可以减小诱导阻力 第二章 第 90 页 ●展弦比对诱导阻力的影响 低展弦比使翼尖涡变 强,诱导阻力增加。 高展弦比使翼尖涡减 弱,诱导阻力变小。 第二章 第 91 页 ●展弦比对诱导阻力的影响 诱导阻力系数减少的百分比 升力系数不变 机翼展弦比倒数 第二章 第 92 页 ●高展弦比飞机 第二章 第 93 页 ●空速大小对诱导阻力大小的影响 空速小,下洗角 大,诱导阻力大 阻力 诱导阻力 空速 空速大,下洗角 小,诱导阻力小 第二章 第 94 页 ●翼梢小翼 第二章 第 95 页 ●翼梢小翼可以减小诱导阻力 第二章 第 96 页 ●翼梢小翼可以减小诱导阻力 翼梢小翼改变了机翼沿展向分布的翼载荷。 第二章 第 97 页 ●翼梢小翼可以减小总阻力 第二章 第 98 页 ⑤ 阻力公式 1 2 D ? CD ? ? v ? S 2 CD 1 2 —飞机的阻力系数 —飞机的飞行动压 ?V 2 S 第二章 第 99 页 —机翼的面积。 ●回顾阻力组成 ?摩擦阻力(Skin Friction Drag) ?压差阻力(Form Drag) ?干扰阻力(Interference Drag) ?诱导阻力(Induced Drag) 废阻力 (Parasite Drag) 第二章 第100页 ●阻力相关资料 典型飞机阻力构成 阻力名称 摩擦阻力 诱导阻力 干扰阻力 激波阻力 其他阻力 第二章 第101页 亚音速运输 超音速战斗 单旋翼直升 机 机 机 45% 40% 7% 3% 5% 23% 29% 6% 35% 7% 25% 25% 40% 5% 5% ●总空气动力 升力和阻力之和称为总空气动力。 第二章 第102页 本章主要内容 2.1 空气流动的描述 2.2 升力 2.3 阻力 2.4 增升装置的增升原理 第二章 第103页 2.5 增升装置的增升原理 ●迎角与速度的关系 飞机的升力主要 随飞行速度和迎角 变化。在大速度飞 行时,只要求较小 迎角,机翼就可以 产生足够的升力维 速 持飞行。在小速度 度 飞行时,则要求较 大的迎角,机翼才 能产生足够的升力 来维持飞行。 迎 角 第二章 第105页 ●为什么要使用增升装置 用增大迎角的方法来增大升力系数从而减小速度是有限的,飞机 的迎角最多只能增大到临界迎角。因此,为了保证飞机在起飞和着 陆时,仍能产生足够的升力,有必要在机翼上装设增大升力系数的 装置。 增升装置用于增大飞机 的最大升力系数,从而缩 短飞机在起飞着陆阶段的 地面滑跑距离。 CL max ?lj 第二章 第106页 主要增升装置包括: ① 前缘缝翼 ② 后缘襟翼 ③ 前缘襟翼 第二章 第107页 2.5.1 前缘缝翼 前缘缝翼位于机翼前缘,在大迎角下打开前缘缝翼,可以延 缓上表面的气流分离,从而使最大升力系数和临界迎角增大。在 中小迎角下打开前缘缝翼,会导致机翼升力性能变差。 第二章 第108页 ●前缘缝翼 下翼面高压气流流过缝隙,贴近上翼面流动。一方面降低逆压梯 度,延缓气流分离,增大最大升力系数和临界迎角。另一方面,减 小了上下翼面的压强差,减小升力系数。 第二章 第109页 ●前缘缝翼对压强分布的影响 较大迎角下,使用前缘缝翼可以增加升力系数。 第二章 第 110页 2.5.2 后缘襟翼 放下后缘襟翼,使升力系数和阻力系数同时增大。因 此,在起飞时放小角度襟翼,着陆时,放大角度襟翼。 ① 分裂襟翼 (The Split Flap) ② 简单襟翼 (The Plain Flap) ③ 开缝襟翼 (The Slotted Flap) ④ 后退襟翼 (The Fowler Flap) ⑤ 后退开缝襟翼 (The Slotted Fowler Flap) 第二章 第 111页 ① 分裂襟翼(The Split Flap) 分裂襟翼是一块从机翼后段下表面向下偏转而分裂出的翼面, 它使升力系数和最大升力系数增加,但临界迎角减小。 第二章 第 112页 ① 分裂襟翼(The Split Flap) 放下分裂襟翼后,在机翼和襟翼之间的楔形区形成涡流,压强 降低,吸引上表面气流流速增加,上下翼面压差增加,从而增大了 升力系数,延缓了气流分离。 此外,放下分裂襟翼使得 翼型弯度增大,上下翼面压 差增加,从而也增大了升力 系数。 第二章 第 113页 ② 简单襟翼 (The Plain Flap) 简单襟翼与副翼形状相似。放下简单襟翼,增加机翼弯度,进 而增大上下翼面压强差,增大升力系数。但是放简单襟翼使得压差 阻力和诱导阻力增大,阻力比升力增大更多,使得升阻比降低。 第二章 第 114页 ② 简单襟翼 (The Plain Flap) 大迎角下放简单襟翼,升力系数及最大升力系数增加,阻力系 数增加,升阻比降低(即空气动力性能降低),临界迎角降低。 第二章 第 115页 ●TB200的简单襟翼 第二章 第 116页 ③ 开缝襟翼 (The Slotted Flap) 开缝襟翼在简单襟翼的基础上进行了改进。在下偏的同时进行开 缝,和简单襟翼相比,可以进一步延缓上表面气流分离,增大机翼 弯度,使升力系数提高更多,而临界迎角却降低不多。 第二章 第 117页 ③ 开缝襟翼 (The Slotted Flap) ●下翼面气流经开缝流向上翼面 ●开缝襟翼的流线页 ④ 后退襟翼(The Fowler Flap) 后退襟翼在简单襟翼的基础上进行了改进。在下偏的同时向后滑 动,和简单襟翼相比,增大了机翼弯度也增加了机翼面积,从而使升 力系数以及最大升力系数增大更多,临界迎角降低较少。 第二章 第 119页 ④ 后退开缝襟翼 (The Slotted Fowler Flap) 后退开缝襟翼结合了后退式襟翼和开缝式襟翼的共同特点,效果最 好,结构最复杂。 大型飞机普遍使用后退双开缝或三开缝的形式。 双开缝 三开缝 第二章 第120页 ●747的后退开缝襟翼 第二章 第121页 2.5.3 前缘襟翼 前缘襟翼位于机翼前缘。前缘襟翼放下后能延缓上表面 气流分离,能增加翼型弯度,使最大升力系数和临界迎角 得到提高。 前缘襟翼广泛应用于高亚音速飞机和超音速飞机。 第二章 第122页 ●B737-800的前缘襟翼 第二章 第123页 ●增升装置的原理总结 第二章 第124页 ●增升装置的原理总结 增升装置的目的是增大最大升力系数。 增升装置主要是通过三个方面实现增升: ① 增大翼型的弯度,提高上下翼面压强差。 ② 延缓上表面气流分离,提高临界迎角和最大升力系数。 ③ 增大机翼面积。 第二章 第125页 本章小结 ? ? ? ? ? ? ? 连续性定理、伯努利定理 机翼的压力分布 附面层分离的原因及分离点移动的规律 压差阻力 升力系数、阻力系数和升阻比 增升装置的增升原理。 后缘襟翼的功用,增升的基本方法和原理,放襟翼对 气动性能影响 第二章 第126页


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