賈衛(wèi)東，申 彬，周慧濤，歐鳴雄，龔 辰，陳志剛

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

農(nóng)業(yè)施藥過(guò)程中，部分農(nóng)藥?kù)F滴群受到氣流卷挾運(yùn)動(dòng)到噴施作物區(qū)域以外，導(dǎo)致農(nóng)藥?kù)F滴的飄移，霧滴飄移是造成環(huán)境污染、農(nóng)藥浪費(fèi)及農(nóng)藥使用率低的主要因素之一[1-3]。隨著生態(tài)環(huán)境和食品安全等問(wèn)題日益突出，減少霧滴飄移成為了目前農(nóng)業(yè)施藥領(lǐng)域的重要研究方向[4-5]。側(cè)風(fēng)是影響霧滴飄移的重要原因，側(cè)風(fēng)風(fēng)速越大，農(nóng)藥的飄移率越大[6]。

飄移受到多種因素影響，包括噴頭類型和霧滴粒徑[8-10]、作業(yè)的風(fēng)速和風(fēng)向[11-13]、霧滴速度和運(yùn)動(dòng)軌跡[14]等。 王瀟楠等[15]在室內(nèi)無(wú)風(fēng)條件下對(duì)不同噴頭的飄移潛力進(jìn)行試驗(yàn)，表明霧滴大小和工作壓力均為影響飄移的重要因素。劉雪美等[6]采用三維流場(chǎng)的多相流計(jì)算流體力學(xué)模型，研究自然風(fēng)等多種因素在連續(xù)相和霧滴粒子群離散相耦合的交互作用，表明輔助氣流速度對(duì)霧滴飄移影響顯著。

風(fēng)幕式噴桿噴霧技術(shù)即在噴桿上方通過(guò)強(qiáng)制送風(fēng)形成風(fēng)幕，風(fēng)幕氣流強(qiáng)迫霧滴向靶標(biāo)運(yùn)動(dòng)，對(duì)側(cè)風(fēng)具有抵抗作用，減少了霧滴的飄移，同時(shí)風(fēng)幕氣流吹動(dòng)作物，對(duì)作物葉片和冠層具有翻滾作用，改善了霧滴的沉積和穿透效果[7]。燕明德等[16]運(yùn)用PDPA對(duì)不同條件下的風(fēng)幕式噴桿噴霧兩相流流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，表明風(fēng)幕氣流可以改善霧滴的粒徑和速度分布，減小飄移。楊洲等[17]進(jìn)行了噴桿式靜電噴霧機(jī)的霧滴飄移試驗(yàn)，表明側(cè)風(fēng)風(fēng)速和靜電電壓對(duì)靜電噴霧霧滴飄移具有顯著的交互作用。目前，對(duì)于風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴飄移的研究主要集中在無(wú)側(cè)風(fēng)狀態(tài)下的噴頭類型、噴霧壓力及輔助氣流速度等多種因素對(duì)于飄移影響的顯著性分析，針對(duì)不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對(duì)霧滴飄移交互作用的研究較少，個(gè)別相關(guān)研究集中在流場(chǎng)仿真與數(shù)值分析，而側(cè)風(fēng)作用是實(shí)際噴霧作業(yè)時(shí)不可避免的問(wèn)題。

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生不同速度的側(cè)風(fēng)，利用風(fēng)幕式噴桿噴霧噴霧性能測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同側(cè)風(fēng)和不同風(fēng)幕氣流下的霧滴飄移情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，探究不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕氣流對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴飄移的影響規(guī)律，以期為風(fēng)幕式噴桿噴霧機(jī)防飄技術(shù)研究和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 霧滴飄移評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 質(zhì)量中心距

質(zhì)量中心距D是衡量噴霧飄移潛力的指標(biāo)。質(zhì)量中心距越大，表明沉降的霧滴與噴頭噴霧正下方的距離越遠(yuǎn)，噴霧在噴頭下方靶標(biāo)區(qū)的沉降量越少，即飄移越嚴(yán)重[18]。質(zhì)量中心距D的計(jì)算公式為

式中D—飄移質(zhì)量中心距(%)；

i—V 型槽編號(hào)(1～50)；

z—V 型槽總個(gè)數(shù)；

mi—第i個(gè)V型槽內(nèi)的霧滴質(zhì)量(kg)；

di—第i個(gè)V型槽中心到噴頭的水平距離(mm)。

1.2 飄移率

飄移率β是霧滴飄失程度的最直觀衡量指標(biāo)。飄移率β越小，沉降在靶標(biāo)區(qū)域的有效霧滴越多，表明霧流抗飄失能力越強(qiáng)。飄移率β的計(jì)算公式[11]為

式中β—飄移率(%)；

k—不同采樣范圍內(nèi)V型槽的數(shù)量；

M—試驗(yàn)用噴頭的實(shí)際噴霧總量(g)。

2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)安排在江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用了自制的風(fēng)幕式噴桿噴霧噴霧性能測(cè)試系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)進(jìn)行霧滴飄移試驗(yàn)。

1.隔膜泵 2.藥箱 3.軸流風(fēng)機(jī) 4.變頻器 5.風(fēng)幕氣囊 6.風(fēng)速儀 7.噴桿 8.扇形噴頭 9.壓力表 10.智能流量計(jì) 11.開(kāi)關(guān)閥

該測(cè)試系統(tǒng)由風(fēng)幕控制部分、噴霧調(diào)節(jié)部分及噴桿運(yùn)動(dòng)控制部分3部分組成。風(fēng)幕控制部分包括軸流風(fēng)機(jī)、變頻器和風(fēng)幕氣囊，通過(guò)變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，利用KA31型熱線風(fēng)速儀對(duì)風(fēng)幕出風(fēng)口風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)定，軸流風(fēng)機(jī)與風(fēng)幕氣囊均固定于機(jī)架上且兩者密封聯(lián)接。噴霧調(diào)節(jié)部分包括隔膜泵、藥箱、開(kāi)關(guān)閥、壓力表、智能流量計(jì)、噴桿和噴頭。噴桿運(yùn)動(dòng)控制部分由滾珠絲杠、噴桿及U型卡環(huán)組成，噴桿的前后和上下運(yùn)動(dòng)是通過(guò)滾阻絲杠的傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)U型卡環(huán)可以改變噴桿繞自身軸線的旋轉(zhuǎn)角度。該系統(tǒng)主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 風(fēng)幕式噴桿噴霧測(cè)試系統(tǒng)的主要技術(shù)參

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對(duì)風(fēng)幕式噴桿噴霧霧滴飄移的影響規(guī)律，首先進(jìn)行風(fēng)幕氣流不同作用方式下的防飄移對(duì)比試驗(yàn)，確定最佳風(fēng)幕氣流作用位置，然后進(jìn)行飄移測(cè)量試驗(yàn)。設(shè)計(jì)5個(gè)風(fēng)幕風(fēng)速水平和4種側(cè)風(fēng)風(fēng)速，如表2所示。

本文所述風(fēng)幕風(fēng)速和側(cè)風(fēng)風(fēng)速均為該類風(fēng)穩(wěn)定作用時(shí)噴頭中心位置處的平均風(fēng)速，風(fēng)向與該類風(fēng)相同，1～5變化非恒速風(fēng)用來(lái)模擬變化自然風(fēng)，采用混沌方程向變頻器輸入數(shù)據(jù)[19]來(lái)生成，即

xn+1=a·[xn+0.8-2sin(2π·xn)]

其中，xn+1為第n+1 時(shí)刻的風(fēng)速(m/s)；xn為第n時(shí)刻的風(fēng)速(m/s)；a為風(fēng)的強(qiáng)度系數(shù)[19]，取值 1.067。方程提供的模擬自然風(fēng)的平均風(fēng)速為 2.4 m/s，風(fēng)速范圍為 1～5 m/s。

2.2.1 測(cè)量坐標(biāo)系的設(shè)置

選取噴頭噴霧中心點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，選取豎直向下為y軸正方向，側(cè)風(fēng)氣流方向?yàn)閤軸正方向，與yox平面垂直向外為z軸正方向，噴頭中心點(diǎn)與風(fēng)幕出風(fēng)口中心的水平距離為Dx(mm)，風(fēng)幕氣流形成的風(fēng)場(chǎng)在x軸方向具有一定厚度，但本文定義風(fēng)幕氣流在豎直方向垂直于x軸且過(guò)風(fēng)幕出風(fēng)口中心點(diǎn)的截面到噴頭中心的距離亦為Dx，即認(rèn)為噴頭中心點(diǎn)到風(fēng)幕的距離就是到風(fēng)幕中心截面的距離，噴頭中心點(diǎn)與出風(fēng)口中心的垂直距離為Dy(mm)。圖2為試驗(yàn)測(cè)試坐標(biāo)系。

圖2 測(cè)試坐標(biāo)系圖

2.2.2 風(fēng)幕氣流不同作用方式下的防飄對(duì)比試驗(yàn)

以噴桿所在位置為基準(zhǔn)，定義側(cè)風(fēng)上風(fēng)向?yàn)榍胺剑鶕?jù)噴頭中心與風(fēng)幕出風(fēng)口中心的水平距離，將風(fēng)幕氣流作用方式分為噴桿前方、噴桿上方、噴桿后方，噴霧壓力取0.5MPa，側(cè)風(fēng)風(fēng)速為5m/s，風(fēng)幕風(fēng)速15m/s，噴頭中心與風(fēng)幕出風(fēng)口中心的垂直距離Dy為最小距離10mm，調(diào)節(jié)水平距離Dx為-120、-60、0、60、120mm；噴霧持續(xù)1min后關(guān)閉開(kāi)關(guān)，等待30s后對(duì)燒杯內(nèi)收集的霧滴進(jìn)行稱重；每組試驗(yàn)重復(fù)3次，測(cè)定風(fēng)幕氣流不同作用方式下的霧滴飄移數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)無(wú)自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(25±1)℃，相對(duì)濕度為64%。

2.2.3 霧滴漂移試驗(yàn)

1)試驗(yàn)系統(tǒng)。霧滴飄移試驗(yàn)系統(tǒng)由風(fēng)幕式噴桿噴霧測(cè)試系統(tǒng)與霧型收集裝置搭建組成，該霧型收集裝置在水平方向上布置有50個(gè)用以接收沉積霧滴的V形槽，V形槽平面傾斜角度為5°，試驗(yàn)布置如圖3(a)所示。噴桿上對(duì)稱布置4個(gè)Lechler ST110-01標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭，噴頭間距30cm，集霧采樣面為6m×2.5m矩形平面，每個(gè)V型槽出口端下方放置一個(gè)燒杯(容量200mL)，并將燒杯從左至右依次編號(hào)1～50。噴頭所在yoz平面與集霧采樣面交線為基準(zhǔn)線，左側(cè)為正，右側(cè)為負(fù)。側(cè)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)為1.5m×1.5m的平面無(wú)邊界風(fēng)[19]，側(cè)風(fēng)風(fēng)機(jī)與噴頭所在yoz平面距離為2m。

2)試驗(yàn)過(guò)程。噴霧壓力取0.5MPa，噴頭與風(fēng)幕出風(fēng)口垂直距離Dy取最小距離10mm，水平距離Dx為0，噴頭距離集霧采樣面600mm。依據(jù)表2安排試驗(yàn)，每次噴霧時(shí)間為1min，用BS210S電子天平依次稱取每個(gè)燒杯內(nèi)水的質(zhì)量，并記錄，每組試驗(yàn)重復(fù)3次；試驗(yàn)時(shí)無(wú)自然風(fēng)，環(huán)境溫度為(26±1)℃，相對(duì)濕度為66%。圖3(b)為霧滴飄移試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

試驗(yàn)開(kāi)始前收集4個(gè)噴頭在0.5MPa壓力下噴霧1min時(shí)間的總噴霧量，并用電子天平稱重記錄；每組試驗(yàn)噴霧結(jié)束后，等待30s后待集霧槽內(nèi)水流干后再對(duì)燒杯依序號(hào)稱量。

1.V形槽 2.霧滴群邊緣 3.扇形噴頭 4.噴桿 5.側(cè)風(fēng) 6.側(cè)風(fēng)風(fēng)機(jī)

(b) 霧滴飄移試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

3 結(jié)果與分析

3.1 防飄對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4為風(fēng)幕氣流不同作用方式下霧滴飄移率變化情況。由圖4可知：風(fēng)幕氣流與噴桿水平距離越小，飄移率越低；相等水平距離下，風(fēng)幕氣流位于噴桿前方時(shí)的飄移率高；風(fēng)幕氣流位于噴桿正上方時(shí)霧滴飄移率最小(21%)，略小于位于噴桿后方時(shí)，考慮到風(fēng)幕氣流對(duì)靶標(biāo)葉片具有翻滾作用并可增大霧滴動(dòng)能，加快霧滴到達(dá)靶標(biāo)。因此，在防飄效果無(wú)顯著差異的情況下，風(fēng)幕式噴桿噴霧作業(yè)時(shí)選擇風(fēng)幕氣流作用于噴桿正上方的方式。

圖4 風(fēng)幕氣流不同作用方式對(duì)霧滴飄移率的影響

3.2 無(wú)風(fēng)幕作用時(shí)側(cè)風(fēng)對(duì)對(duì)霧滴飄移的影響

關(guān)閉風(fēng)幕風(fēng)機(jī)，風(fēng)幕風(fēng)速為0，噴霧壓力0.5MPa，設(shè)定側(cè)風(fēng)風(fēng)速分別為0、1、3、5、7m/s，進(jìn)行噴霧飄移試驗(yàn)，圖5為無(wú)風(fēng)幕作用時(shí)的飄移質(zhì)量中心距。

圖5 無(wú)風(fēng)幕作用時(shí)的霧滴飄移質(zhì)量中心距

由圖5可知：霧滴的飄移質(zhì)量中心距隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大而逐漸增大，側(cè)風(fēng)對(duì)霧滴飄移有顯著影響；對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到0.5MPa壓力無(wú)風(fēng)幕作用下不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速時(shí)的霧滴飄移質(zhì)量中心距變化規(guī)律，即

y= 272.14x+ 225,R= 0.99

飄移質(zhì)量中心距與側(cè)風(fēng)風(fēng)速擬合方程的相關(guān)系數(shù)R接近于1，說(shuō)明線性回歸方程的擬合度較好。

通過(guò)線性回歸方程可知：霧滴飄移質(zhì)量中心距隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大變化明顯，因?yàn)殪F滴在側(cè)風(fēng)作用下沿著下風(fēng)向的動(dòng)能很大，霧滴受到側(cè)風(fēng)作用，霧滴會(huì)向距離噴頭更遠(yuǎn)的地方飄移。從圖5中曲線與y軸交點(diǎn)可知：當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速為0(無(wú)側(cè)風(fēng))時(shí)，飄移質(zhì)量中心距為168mm，即霧滴依然產(chǎn)生了飄移。這是液滴霧化過(guò)程中相互碰撞并在空氣阻力作用下水平運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，說(shuō)明側(cè)風(fēng)并不是決定飄移的唯一因素，霧滴霧化后的擴(kuò)散作用即可產(chǎn)生飄移，但飄移潛力相對(duì)較??；當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速上升為1m/s，即剛開(kāi)始側(cè)風(fēng)作用時(shí)，霧滴飄移質(zhì)量中心距(623mm)較無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)增加了近3倍，說(shuō)明較小側(cè)風(fēng)即可對(duì)飄移質(zhì)量中心距產(chǎn)生很大影響。

3.3 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對(duì)霧滴飄移的影響規(guī)律

側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕氣流共同作用時(shí)，可得到霧滴飄移率和霧滴飄移質(zhì)量中心距的變化規(guī)律。

3.3.1 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對(duì)霧滴飄移率的影響

由圖6可知：同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速時(shí)，霧滴飄移率隨風(fēng)幕風(fēng)速的增大基本呈先減小后略有回升的趨勢(shì)。風(fēng)幕出口風(fēng)速5m/s增加至10m/s時(shí)，霧滴飄移率下降最快，側(cè)風(fēng)風(fēng)速5m/s時(shí)，風(fēng)幕出口風(fēng)速由5m/s增加至10m/s，霧滴飄移率下降達(dá)23%。這是由于在6m×2.5m的采樣范圍內(nèi)，5m/s的氣流形成的輔助流場(chǎng)的邊界不能對(duì)側(cè)風(fēng)流場(chǎng)形成完全隔擋，而出口風(fēng)速增加至10m/s時(shí)，輔助氣流流場(chǎng)在此采樣范圍內(nèi)可對(duì)側(cè)風(fēng)流場(chǎng)形成完全的阻礙作用，因此飄移率下降最為明顯。

圖6 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速下的霧滴飄移率變化規(guī)律

風(fēng)幕風(fēng)速?gòu)?m/s增加至20m/s時(shí)，霧滴飄移率基本呈線性下降規(guī)律，當(dāng)風(fēng)幕出口風(fēng)速為20m/s時(shí)飄移率最低，表明最佳的防飄風(fēng)幕風(fēng)速區(qū)間為5～20m/s，最佳的防飄風(fēng)幕風(fēng)速為20m/s。風(fēng)幕出口風(fēng)速超過(guò)20m/s后，飄移率出現(xiàn)小幅度提升。其中，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速5m/s時(shí)，風(fēng)幕風(fēng)速由20m/s增加至25m/s時(shí)，霧滴飄移率增加了6%，即風(fēng)幕氣流增強(qiáng)至一定程度時(shí)防飄效果反而會(huì)下降。這是因?yàn)轱L(fēng)幕風(fēng)速過(guò)大，輔助氣流使霧滴破碎加快，霧滴粒徑變小，質(zhì)量變輕，霧滴自身飄移潛力增大，過(guò)大的風(fēng)速還加劇了霧滴的蒸發(fā)，使霧滴總質(zhì)量變??；同時(shí)，氣流吹進(jìn)集霧槽中會(huì)造成氣流反彈，反彈回來(lái)的氣流對(duì)細(xì)小霧滴的沉降具有阻礙作用，造成霧滴懸浮，懸浮的細(xì)小霧滴飄移潛力更大，造成了霧滴總體飄移率的回升。風(fēng)幕風(fēng)速不斷增大，減少霧滴飄移的同時(shí)又具有增大飄移的作用，因此必須選擇合適的風(fēng)幕風(fēng)速，才能達(dá)到較好的防飄效果。

3.3.2不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速對(duì)霧滴飄移質(zhì)量中心距的影響

前文已得：側(cè)風(fēng)風(fēng)速越大，霧滴飄移質(zhì)量中心距也越大。從圖7進(jìn)一步可知：在同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，霧滴的飄移質(zhì)量中心距與風(fēng)幕風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)殪F滴飄移質(zhì)量中心距反應(yīng)飄移霧滴相對(duì)于噴頭中心的分布情況，風(fēng)幕輔助氣流離開(kāi)出口后向四周擴(kuò)散，形成一個(gè)穩(wěn)定的保護(hù)流場(chǎng)，對(duì)側(cè)風(fēng)氣流具有抵消作用，風(fēng)幕風(fēng)速越大，抵消作用越明顯，霧滴向側(cè)風(fēng)下風(fēng)向的飄移動(dòng)能越小，霧滴的飄移質(zhì)量中心距也就越小。

圖7 不同側(cè)風(fēng)和風(fēng)幕風(fēng)速下的霧滴飄移質(zhì)量中心距變化規(guī)律

對(duì)比圖6，以側(cè)風(fēng)風(fēng)速5m/s時(shí)為例：無(wú)風(fēng)幕作用時(shí)，霧滴飄移質(zhì)量中心距為1 630mm；當(dāng)有風(fēng)幕作用、出口風(fēng)速為5m/s時(shí)，質(zhì)量中心距降至796mm，下降了51.1%；繼續(xù)增大風(fēng)幕風(fēng)速，霧滴飄移質(zhì)量中心距下降更為明顯，說(shuō)明風(fēng)幕輔助氣流有效減小飄移率的同時(shí)，對(duì)霧滴在噴頭下方的分布也具有顯著影響。

由圖6和圖7可知：相同風(fēng)幕出口風(fēng)速下，3m/s恒速風(fēng)和1～5m/s變化的非恒速風(fēng)(模擬田間作業(yè)時(shí)的不穩(wěn)定自然風(fēng))之間的飄移率及飄移質(zhì)量中心距無(wú)顯著差異，說(shuō)明側(cè)風(fēng)平均風(fēng)速是影響霧滴飄移的主要因素，為以室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M田間作業(yè)情況進(jìn)一步提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

1)風(fēng)幕氣流對(duì)噴桿的作用方式不同，風(fēng)幕的防飄移效果不同，風(fēng)幕氣流與噴桿的水平距離越小，霧滴的飄移率越低。綜合考慮風(fēng)幕氣流對(duì)霧滴的加速作用，風(fēng)幕氣流作用于噴桿正上方為風(fēng)幕式噴桿噴霧作業(yè)的最佳作用方式。

2)無(wú)風(fēng)幕作用時(shí)，霧滴的飄移質(zhì)量中心距隨側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增加線性上升，側(cè)風(fēng)是霧滴飄移的主要影響因素。

3)同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，霧滴飄移率隨著風(fēng)幕風(fēng)速的增大呈先快速再平穩(wěn)減小后略有回升的趨勢(shì)；風(fēng)幕風(fēng)速為5～20m/s時(shí)，飄移率呈線性下降規(guī)律，最佳的防飄風(fēng)幕風(fēng)速區(qū)間為5～20m/s；過(guò)大的風(fēng)幕風(fēng)速反而造成防飄效果下降，最佳防飄風(fēng)幕風(fēng)速為20m/s。在同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，霧滴的飄移質(zhì)量中心距與風(fēng)幕風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，風(fēng)幕輔助氣流有效減小飄移率的同時(shí)，對(duì)霧滴在噴頭下方的分布具有顯著影響。

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