胡丹梅, 潘 揚(yáng), 張建平
(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)
塔影效應(yīng)是指由于塔架對(duì)流場(chǎng)的干涉,導(dǎo)致塔架附近葉片的工作特性發(fā)生變化。當(dāng)水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片經(jīng)過塔架附近時(shí),空氣作用于葉片上的氣動(dòng)載荷會(huì)隨風(fēng)速變化而變化,造成單個(gè)葉片的受力狀況與其他葉片之間存在較大差異,這種差異對(duì)于風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行是較為不利的。
塔影效應(yīng)的研究起源于國(guó)外,其概念早在1968年便被提出,但當(dāng)時(shí)的風(fēng)力機(jī)技術(shù)處于起步階段,作為非主要影響因素的塔影效應(yīng)并未受到重視。進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的興起,風(fēng)電從業(yè)者開始認(rèn)識(shí)到塔架對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響不可忽略,因此對(duì)塔影效應(yīng)的研究逐漸增多。2001年,Wang等[1]建立了基于規(guī)定尾流渦模型和近尾流動(dòng)力學(xué)模型的高分辨塔影效應(yīng)模型,其計(jì)算結(jié)果在一定程度上與實(shí)際測(cè)量結(jié)果相符。Das等[2]為計(jì)算塔架造成的風(fēng)力機(jī)周期波動(dòng),建立了有關(guān)塔影效應(yīng)和風(fēng)剪切效應(yīng)的時(shí)域模型。對(duì)于3葉片風(fēng)力機(jī)來說,一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的振蕩次數(shù)是旋轉(zhuǎn)頻率P的3倍,這種周期性波動(dòng)稱為3P效應(yīng)。我國(guó)早期的研究著重于塔影效應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)方面的影響。張玉良等[3]研究了塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)功率的影響,導(dǎo)出了下風(fēng)向風(fēng)力機(jī)的風(fēng)功率計(jì)算式。李少林等[4]在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)風(fēng)力機(jī)模擬器時(shí)涉及了對(duì)塔影效應(yīng)的模擬,并計(jì)算出受塔影效應(yīng)影響的等效風(fēng)速,用以替代空間平均風(fēng)速。由于葉片經(jīng)過塔架時(shí)等效風(fēng)速會(huì)發(fā)生脈動(dòng),可用等效風(fēng)速計(jì)算出塔影效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。張雪等[5]和董升等[6]均進(jìn)行了基于等效風(fēng)速法的風(fēng)力機(jī)塔影效應(yīng)和風(fēng)剪切效應(yīng)仿真研究,并得出了相似的結(jié)果。范忠瑤等[7]以東方汽輪機(jī)有限公司的2.5 MW上風(fēng)向型DF90為模型,進(jìn)行了塔影效應(yīng)的數(shù)值模擬,研究表明塔影效應(yīng)使單個(gè)葉片載荷波動(dòng)20%~40%,風(fēng)輪載荷波動(dòng)6%~12%,且風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致塔前來流始終發(fā)生偏轉(zhuǎn),引起塔架兩側(cè)受力不均。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于塔影效應(yīng)的研究尚未成熟,特別是對(duì)兆瓦級(jí)大型風(fēng)力機(jī)的數(shù)值模擬相對(duì)較少。筆者采用Fluent軟件對(duì)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)的5 MW風(fēng)力機(jī)進(jìn)行模擬,分析在不同來流風(fēng)速下塔影效應(yīng)的表現(xiàn),為后續(xù)減弱塔影效應(yīng)的研究提供參考。
選取NREL 5 MW風(fēng)力機(jī)作為研究對(duì)象,風(fēng)力機(jī)為3葉片上風(fēng)向,葉輪直徑為126 m,葉片長(zhǎng)度為61.5 m[8]。將文獻(xiàn)[8]中葉片17個(gè)截面處的弦長(zhǎng)和翼型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ProE軟件中,通過連接翼型生成葉片模型。將輪轂簡(jiǎn)化為球體,機(jī)艙簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體,將塔筒設(shè)為上底面直徑為3.87 m、下底面直徑為6 m的圓臺(tái),將包括葉片在內(nèi)的各組件進(jìn)行組裝,得到整機(jī)模型。為了模擬出風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的工作狀態(tài),需將風(fēng)力機(jī)的外部流場(chǎng)(計(jì)算域)分為2個(gè)部分,即將葉輪完全包圍并隨之旋轉(zhuǎn)的圓盤狀旋轉(zhuǎn)域和旋轉(zhuǎn)域外圍不隨葉輪旋轉(zhuǎn)的靜止域,如圖1所示。旋轉(zhuǎn)域半徑為70 m,深度為8 m,關(guān)于旋轉(zhuǎn)平面對(duì)稱,旋轉(zhuǎn)中心距地面高度為90 m;靜止域入口距葉輪旋轉(zhuǎn)平面為250 m,出口距葉輪旋轉(zhuǎn)平面距離為1 000 m,寬為600 m,高為400 m,靜止域?yàn)殚L(zhǎng)方體。
圖1 計(jì)算域模型
采用ICEM-CFD網(wǎng)格劃分軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)域和靜止域分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。劃分旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格時(shí),先劃分出三分之一旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格,再沿旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行周期性旋轉(zhuǎn),得到整個(gè)旋轉(zhuǎn)域的計(jì)算網(wǎng)格,如圖2所示。
圖2 旋轉(zhuǎn)域劃分網(wǎng)格
對(duì)葉片外圍流場(chǎng)進(jìn)行O剖分,并單獨(dú)劃分流動(dòng)邊界層,如圖3所示。由于風(fēng)力機(jī)模型的葉輪直徑達(dá)126 m,幾何尺寸很大,為保證網(wǎng)格數(shù)量在可計(jì)算范圍之內(nèi),沿葉片展向的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)較少,導(dǎo)致邊界層網(wǎng)格的長(zhǎng)和寬較大。為防止網(wǎng)格長(zhǎng)寬比過大,影響計(jì)算精度[9],采用壁面函數(shù)法處理邊界層;為滿足Y+要求[10],第1層網(wǎng)格高度為1.5 mm,網(wǎng)格增長(zhǎng)比為1.1,共14層。
圖3 不同葉高處的網(wǎng)格分布
Fig.3 Grid distribution at different blade heights
表1 不同網(wǎng)格數(shù)的計(jì)算結(jié)果比較
選取額定工況進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如表1所示。考慮到計(jì)算的準(zhǔn)確性,選擇網(wǎng)格數(shù)為626.75萬,其中旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格數(shù)為346.37萬,靜止域的網(wǎng)格數(shù)為280.38萬。
基于N-S方程進(jìn)行數(shù)值模擬,考慮到湍流模型需與壁面函數(shù)法兼容,以及葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng),選用帶有湍流漩渦修正的RNGk-ε模型,離散格式為2階迎風(fēng),利用Simple算法進(jìn)行求解[11]。計(jì)算采用滑移網(wǎng)格法,旋轉(zhuǎn)域設(shè)為以葉輪旋轉(zhuǎn)軸為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),風(fēng)力機(jī)部件視為剛性,不考慮流固耦合。
RNGk-ε模型的控制方程為[12]:
(1)
(2)
式中:ρ為空氣密度;k為湍流脈動(dòng)動(dòng)能;ε為脈動(dòng)耗散率;ρε為耗散項(xiàng)的密度;t為時(shí)間;xi為空間某一方向(i、j=1,2,3);ui為速度在某一方向上的分量(i、j=1,2,3);μeff為有效黏性系數(shù);Gk為產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能;YM為可壓縮湍流中過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng);αk為湍流動(dòng)能普朗特?cái)?shù)的倒數(shù);αε為湍流耗散率普朗特?cái)?shù)的倒數(shù);C1ε、C2ε和C3ε均為模型默認(rèn)常數(shù);Rε、Sk和Sε均為用戶自定義項(xiàng)。
風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)矩為[13]:
(3)
(4)
式中:λ為葉尖速比;R為葉片旋轉(zhuǎn)半徑,m;ω為葉片旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;Cp為功率系數(shù);β為槳距角,(°);Tm為轉(zhuǎn)矩,N·m;v為運(yùn)動(dòng)黏度,m2/s。
由式(3)可知,葉片槳距角一定時(shí),葉輪轉(zhuǎn)矩與葉輪上游處的風(fēng)速有關(guān)。
3.1.1 功率曲線驗(yàn)證
為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,選取25 m/s、20 m/s、15 m/s、11.4 m/s(額定風(fēng)速)、9 m/s、7 m/s和5 m/s作為來流風(fēng)速進(jìn)行模擬。表2為各工況下的葉片槳距角[8]。如圖4所示,模擬值和設(shè)計(jì)值的功率曲線在額定工況下符合情況較好,最大相對(duì)誤差為4.6%,可認(rèn)為模型和計(jì)算方法具有可信度。
表2 不同工況下的葉片槳距角
圖4 風(fēng)力機(jī)功率曲線
3.1.2 3P效應(yīng)
設(shè)置11.4 m/s的均勻來流,旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)角速度為12.1 rad/min,采用滑移網(wǎng)格法,設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為0.027 548 2 s(對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)角度為2°),進(jìn)行非定常計(jì)算。計(jì)算過程中對(duì)整個(gè)風(fēng)力機(jī)葉輪和3個(gè)葉片分別進(jìn)行轉(zhuǎn)矩監(jiān)測(cè),待計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng),轉(zhuǎn)矩趨于穩(wěn)定后,記錄葉輪旋轉(zhuǎn)1周過程中的轉(zhuǎn)矩,如圖5所示。由圖5可以看出,在葉輪旋轉(zhuǎn)1周的過程中,相比于無塔筒,有塔筒時(shí)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)3次大幅下降,且方位角相互間隔120°,符合3P效應(yīng)。
圖5 1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)整個(gè)葉輪的轉(zhuǎn)矩
3.2.1 塔影效應(yīng)對(duì)葉片工作特性的影響
圖6和圖7分別為在11.4 m/s、9 m/s、7 m/s和5 m/s的來流風(fēng)速下1根葉片在旋轉(zhuǎn)1周過程中轉(zhuǎn)矩和軸向推力的變化曲線,可較直觀地反映塔筒對(duì)葉片工作特性的影響。葉片尖部垂直向上時(shí)方位角為0°,葉片在塔筒正前方時(shí)方位角為180°。
由圖6(a)可知,在葉片的1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi),轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了1次谷值和2次峰值,谷值出現(xiàn)在方位角180°處(C點(diǎn)),2個(gè)峰值分別出現(xiàn)在方位角140°(B點(diǎn))和210°處(A點(diǎn)),且210°處轉(zhuǎn)矩大于140°處轉(zhuǎn)矩。由圖6可知,轉(zhuǎn)矩的峰值和谷值出現(xiàn)的方位角不隨來流風(fēng)速的變化而改變。
(a) 來流風(fēng)速為11.4 m/s,葉輪轉(zhuǎn)速為12.1 rad/min
(b) 來流風(fēng)速為9 m/s,葉輪轉(zhuǎn)速為10.2 rad/min
(c) 來流風(fēng)速為7 m/s,葉輪轉(zhuǎn)速為8.3 rad/min
(d) 來流風(fēng)速為5 m/s,葉輪轉(zhuǎn)速為7.3 rad/min
將最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩的差值與葉片旋轉(zhuǎn)1周的平均轉(zhuǎn)矩的比值定義為轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰谷差,可表示為:
(5)
式中:TA為較大轉(zhuǎn)矩峰值;TC為最小轉(zhuǎn)矩;Tave為葉片旋轉(zhuǎn)1周的平均轉(zhuǎn)矩。
轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰谷差的大小代表輸出轉(zhuǎn)矩的相對(duì)波動(dòng)幅度,其值越大,轉(zhuǎn)矩的相對(duì)波動(dòng)幅度越大。在4個(gè)來流風(fēng)速下轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰谷差分別為12.85%、12.88%、13.25%和14.93%。
將轉(zhuǎn)矩2個(gè)峰值之間的差值與葉片旋轉(zhuǎn)1周的平均轉(zhuǎn)矩的比值定義為轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰峰差,可表示為:
(6)
式中:TB為較小轉(zhuǎn)矩峰值。
轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰峰差反映了葉片轉(zhuǎn)矩波動(dòng)規(guī)律的不對(duì)稱性,其值越大,說明葉片在塔筒兩側(cè)時(shí)工況的差異越大。在4個(gè)來流風(fēng)速下轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰峰差分別為1.36%、1.38%、1.83%和3.31%。綜上,來流風(fēng)速越小,塔影效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰谷差越大,轉(zhuǎn)矩相對(duì)峰峰差越大。
對(duì)比圖6和圖7可知,葉輪所受軸向推力的變化同樣呈現(xiàn)峰-谷-峰規(guī)律。由圖7(a)可知,峰值分別出現(xiàn)在方位角140°(B點(diǎn))和210°處(A點(diǎn)),谷值出現(xiàn)在方位角180°處(C點(diǎn))。如圖7所示,峰谷值出現(xiàn)的方位角與圖6中峰谷值的方位角一致,但140°處的峰值卻高于210°處的峰值。與轉(zhuǎn)矩相似,葉片所受軸向推力的峰值和谷值的方位角不隨來流風(fēng)速的變化而變化。因此可認(rèn)為塔影效應(yīng)對(duì)葉片的氣動(dòng)影響主要集中在葉片方位角140°~210°的時(shí)域內(nèi)。
將最大軸向推力與最小軸向推力的差值與葉片旋轉(zhuǎn)1周的平均軸向推力的比值定義為推力相對(duì)峰谷差,其表達(dá)式為:
(7)
式中:NB為較大軸向推力峰值;NC為最小軸向推力;Nave為葉片旋轉(zhuǎn)1周的平均軸向推力。
推力相對(duì)峰谷差越大,說明葉片經(jīng)過塔筒時(shí)受到的軸向推力變化越劇烈。在4個(gè)來流風(fēng)速下軸向推力相對(duì)峰谷差分別為6.65%、6.16%、6.33%和5.68%。
將軸向推力2個(gè)峰值間的差值與葉片旋轉(zhuǎn)1周的平均軸向推力的比值定義為推力相對(duì)峰峰差,其表達(dá)式為:
(8)
式中:NA為較大軸向推力峰值。
推力相對(duì)峰峰差越大,說明葉片在塔筒兩側(cè)時(shí)所受推力情況差異越大。在4個(gè)來流風(fēng)速下推力相對(duì)峰峰差分別為1.22%、1.02%、0.62%和0.20%。
與轉(zhuǎn)矩的變化特性相反,總體上葉片所受軸向推力的相對(duì)波動(dòng)幅度隨來流風(fēng)速的減小而減小。
(a) 來流風(fēng)速為11.4 m/s
(b) 來流風(fēng)速為9 m/s
(c) 來流風(fēng)速為7 m/s
(d) 來流風(fēng)速為5 m/s
葉片轉(zhuǎn)矩和軸向推力在方位角180°附近發(fā)生劇烈變化,說明葉片在塔筒附近時(shí),氣動(dòng)特性受塔筒影響會(huì)發(fā)生較大改變。圖8給出了塔影效應(yīng)方程坐標(biāo),葉片的氣動(dòng)特性在塔筒兩側(cè)表現(xiàn)出一定程度的不對(duì)稱性,這種不對(duì)稱性在根據(jù)等效風(fēng)速法計(jì)算出的結(jié)果中并未體現(xiàn)[4-6],而在同樣使用數(shù)值模擬方法的結(jié)果中卻有所體現(xiàn)[7,14]。
等效風(fēng)速法[15]為:
v=vH+vtower
(9)
(10)
式中:v為等效風(fēng)速;vH為輪轂高度處的風(fēng)速;vtower為塔影效應(yīng)下的風(fēng)速;v0為空間平均風(fēng)速;a為塔筒半徑;y為葉片微元到塔筒中線的水平距離;x為葉輪旋轉(zhuǎn)平面到塔筒中線的水平距離。
由式(10)可知,在等效風(fēng)速法中,vtower在y方向上是關(guān)于塔筒對(duì)稱的函數(shù),且未考慮葉輪旋轉(zhuǎn)造成的旋轉(zhuǎn)效應(yīng),因此推測(cè)這種不對(duì)稱性來源于旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)風(fēng)速的影響。為了進(jìn)一步分析這種不對(duì)稱性,圖9給出了額定風(fēng)速下葉片在方位角140°、150°、180°和210°處、水平高度為77.4 m平面的風(fēng)速云圖。
由圖9可知,與普通的圓柱繞流相比,塔筒附近的速度分布沿順時(shí)針方向有微小偏斜,偏斜方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向一致,說明旋轉(zhuǎn)效應(yīng)造成了塔筒附近流場(chǎng)的不對(duì)稱性;葉片尾部有一個(gè)低速區(qū),反映了風(fēng)經(jīng)過葉片后動(dòng)能的損失。按風(fēng)速損失程度由大到小排序分別為圖9(d)、圖9(a)、圖9(b)和圖9(c),與轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)的峰-谷-峰變化規(guī)律相符,也解釋了2個(gè)峰值在數(shù)值上的不對(duì)稱性。
(a) 方位角140°處
(b) 方位角150°處
(c) 方位角180°處
(d) 方位角210°處
為尋找能減弱塔影效應(yīng)的有效對(duì)策,筆者在保持其他計(jì)算條件不變的情況下,將塔筒替換為桁架,并進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。限于文章篇幅,僅列出分析結(jié)果,即與塔筒式風(fēng)力機(jī)相比,桁架式風(fēng)力機(jī)的葉輪和塔架所受氣動(dòng)載荷的波動(dòng)程度均明顯減小。
3.2.2 塔影效應(yīng)下風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)及尾跡分析
計(jì)算出額定工況下風(fēng)力機(jī)整機(jī)的周圍流場(chǎng),并與無塔筒時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。圖10給出了葉片尖端指向地面時(shí)(對(duì)應(yīng)葉片方位角180°)有、無塔筒情況下在葉片高度20%、40%、60%和80%處的流線及風(fēng)速云圖。由圖10可知,與無塔筒相比,有塔筒時(shí)葉片周圍近距離處流線的變化不大,塔筒對(duì)葉片的影響主要體現(xiàn)在速度場(chǎng)方面。在有塔筒的情況下,葉片周圍的速度場(chǎng)受到明顯“擠壓”,葉片前緣處的高速區(qū)和尾緣處的低速區(qū)范圍均小于無塔筒的情況。塔筒下游出現(xiàn)了不同程度的渦流,渦流大小隨葉高的增大而減小,在20%和80%葉高處出現(xiàn)了渦流分離現(xiàn)象。對(duì)于風(fēng)力機(jī)單機(jī),塔影效應(yīng)影響的關(guān)鍵區(qū)域在靠近葉根、弦長(zhǎng)較大處,此處葉片近流場(chǎng)變化最為明顯。
塔筒除了會(huì)干涉葉片周圍的流場(chǎng),也會(huì)對(duì)風(fēng)力機(jī)下游的尾跡流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。圖11給出了在額定風(fēng)速下20%、40%、60%和80%葉高處風(fēng)力機(jī)尾跡流場(chǎng)的風(fēng)速云圖,發(fā)現(xiàn)塔筒對(duì)尾跡流場(chǎng)有明顯干擾。無塔筒時(shí),風(fēng)力機(jī)尾流速度場(chǎng)基本關(guān)于葉輪中軸線呈對(duì)稱分布。有塔筒時(shí),除20%葉高處之外,其他3個(gè)截面處塔筒下游均出現(xiàn)了一個(gè)長(zhǎng)度約為250 m(2D)的尾跡,且該尾跡在葉高較大處更為清晰。
(a) 無塔筒、20%葉高處
(b) 有塔筒、20%葉高處
(c) 無塔筒、40%葉高處
(d) 有塔筒、40%葉高處
(e) 無塔筒、60%葉高處
(f) 有塔筒、60%葉高處
(g) 無塔筒、80%葉高處
(h) 有塔筒、80%葉高處
(1) 當(dāng)來流風(fēng)為均勻來流且風(fēng)向一定時(shí),不同來流風(fēng)速下葉片在1個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)轉(zhuǎn)矩和軸向推力的峰值、谷值出現(xiàn)在相同的葉片方位角, 140°~210°方位角是塔影效應(yīng)的主要影響時(shí)域。當(dāng)來流風(fēng)速減小時(shí),在葉片掃掠過塔筒的過程中,其轉(zhuǎn)矩的相對(duì)波動(dòng)幅度會(huì)減小,葉片所受軸向推力的相對(duì)波動(dòng)幅度會(huì)增大。
(2) 在大型風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行過程中,葉輪的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)塔筒引起的風(fēng)力機(jī)工況變化特性有較明顯的影響。其主要表現(xiàn)為葉片在靠近、遠(yuǎn)離塔筒的過程中,葉片轉(zhuǎn)矩和軸向推力的變化規(guī)律具有不對(duì)稱性,因此在大型風(fēng)力機(jī)塔影效應(yīng)的研究中有必要考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
(a) 無塔筒、20%葉高處
(b) 有塔筒、20%葉高處
(c) 無塔筒、40%葉高處
(d) 有塔筒、40%葉高處
(e) 無塔筒、60%葉高處
(f) 有塔筒、60%葉高處
(g) 無塔筒、80%葉高處
(h) 有塔筒、80%葉高處
(3) 塔筒對(duì)風(fēng)力機(jī)流場(chǎng)的速度分布有顯著影響。對(duì)于葉片附近流場(chǎng),葉高越小處塔筒造成的影響越大,因此靠近葉根的部分是塔影效應(yīng)影響風(fēng)力機(jī)單機(jī)的關(guān)鍵區(qū)域;對(duì)于遠(yuǎn)尾跡流場(chǎng),葉高越大處塔筒造成的尾跡越明顯,塔筒尾跡長(zhǎng)度約為葉輪直徑的2倍。
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