Name: Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-23T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 17 s
Description: Aprende a visualizar flujos vorticales inestables sobre un ala delta mediante una técnica modificada de humo en túnel de viento. Este método permite observar simultáneamente estructuras globales y subcelulares del flujo.

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Los autores desean agradecer el Consejo de becas de investigación de Hong Kong (no. GRF526913), Hong Kong innovación y tecnología de la Comisión (no. ITS/334/15FP) y el nos oficina de Naval investigación Global (no. N00014-16-1-2161) apoyo financiero.

1. configuración de túnel de viento de
<ol><li>Modelo de ala delta
	<ol>
<li>Construir un modelo de ala delta de aluminio, con un barrido ángulo φ de 75 °, un acorde longitud c de 280 m m, un palmo de la raíz b de 150 mm y 5 mm de espesor. Tiene dos bordes de ataque biselados a 35°-fijar el punto de separación del17 (véase Figura 1a).</li>
	</ol></li>
	<li>Instalación de túnel de viento
	<ol>
<li>Realizar experimentos en un túnel de viento de baja velocidad de lazo cerrado, con una sección de la prueba de 2,4 m (longitud) × 0,6 m (anchura) × de 0,6 m (altura) que cuenta con paredes de cristal que permiten el acceso óptico durante los experimentos. La intensidad turbulenta de esas instalaciones debe ser inferior a 0,4%. Nota: En este estudio, se utilizó un túnel de viento en la Universidad Politécnica de Hong Kong con las características anteriores. Además, la velocidad de la corriente U∞ varió de 2.64 m/s a 10.56 m/s, correspondiente a un número de Reynolds, Re, de 5 × 104 a 2 × 105, basado en la longitud de la cuerda del ala delta, que es el alcance de vuelo típico de un vehículo aéreo no tripulado (UAV).</li>
		<li>Según sea necesario, utilizar tres diferentes arreglos (ver Figura 1b-d) de la hoja de láser y las cámaras para observar las estructuras del flujo en la sección longitudinal, la sección span-wise y la sección transversal. Esquemas de la instalación se muestran en la Figura 1b. Nota: Este protocolo muestra la configuración y medición en la sección longitudinal en detalle.</li>
	</ol></li>
	<li>Instalar el ala delta
	<ol>
<li>Fijar el borde de fuga del ala delta en la picadura, que se encuentra en una guía de movimiento circular usada para ajustar el ángulo de ataque (AoA), α. El centro de la guía circular está en la línea central de la sección de prueba de túnel de viento. Así, el centro de ala delta puede ser siempre en el centro de la sección de prueba. Ajustar la AoA a α = 34 °.</li>
		<li>Ajuste cuidadosamente el modelo de ala delta para minimizar cualquier ángulo de guiñada y rollo de ángulo, revisando las lecturas de un medidor de ángulo y un nivel de láser de tres ejes. En el estudio actual, la incertidumbre de estos dos ángulos es menor que 0,1 °.</li>
	</ol></li>
	<li>Configurar la hoja laser
	<ol>
<li>Utiliza dos láseres por separado para iluminar las estructuras de flujo para medición PIV y visualización del flujo de humos.<ol>
<li>Para la medición de la PIV, utiliza un láser de pulso dual, con una longitud de onda de 532 nm y una energía máxima de 600 mJ (ajustable) para cada pulso. Controlar con un sincronizador con las señales de la lógica (TTL) de transistor-transistor (véase Figura 1b).</li>
			<li>Para la visualización del flujo del humo, utilice un láser continuo con una longitud de onda de 532 nm y una potencia de 1 w. Este láser continuo funciona de forma independiente. Durante la instalación de la instalación, utilice un filtro de densidad neutra con 10% de transmitancia para filtrar el rayo láser de seguridad.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Gafas láser apropiado.</li>
		<li>Ajustar el espejo de reflexión para introducir el láser en el túnel de viento. El ángulo entre el eje de luz de láser y el espejo es <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq1.jpg"> , para que el rayo láser perpendicular a la superficie de ala delta. Asegúrese de que el rayo láser esté alrededor de la posición x/c ≅ 0,25, que más tarde será el centro del campo de visión (FOV).</li>
		<li>Instalar óptica láser (con el láser continuo, al principio) para formar la hoja láser, como se muestra en la Figura 1b. La lente convexa se utiliza para controlar el tamaño del haz de láser (también el grueso de la hoja). La lente cilíndrica expande el rayo láser a una hoja de laser. Nota: En el estudio actual, la longitud focal de la lente cilíndrica es de 700 mm y el diámetro de la lente cilíndrica es de 12 mm.</li>
		<li>Controlar el espesor de la hoja de láser mediante la medición de la línea de láser en el modelo. Ajustar la ubicación de la lente convexa si el espesor de la chapa de láser no es adecuado (aquí, alrededor de 1 mm, con una anchura eficaz de la hoja de láser en la sección de prueba de aprox. 100 mm). Tenga en cuenta que el espesor de la hoja del laser depende en 1) el componente de velocidad en la dirección normal a la hoja de laser y 2) el intervalo de tiempo entre el par de fotos para la medición de PIV.</li>
		<li>Poner una placa de la blanco de calibración en el ala delta, con su superficie coincidente a la hoja del laser. Este paso es fundamental porque el campo de visión en el presente estudio no es ortogonal a la coordenada de túnel de viento.</li>
	</ol></li>
	<li>Configuración de la cámara
	<ol>
<li>Apague el láser cuando se configura la cámara. Como con los lasers, utilizar dos cámaras para cada otra parte de este experimento:<ol>
<li>Para la medición de la PIV, utilice una cámara CCD de alta velocidad con una resolución de 2048 × 2048 píxeles. Esta cámara está controlada por el sincronizador y el pulso dual del laser (véase Figura 1b). En esta cámara los datos serán transmitidos directamente a la computadora.</li>
			<li>Para la visualización del flujo del humo, utilice una cámara digital comercial con una resolución de la foto de 4.000 × 6.000 píxeles y grabación de vídeo de 50 Hz resolución de 720 × 1280 píxeles durante la visualización del flujo de humos. Será operado manualmente.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Mover la cámara (cámara digital comercial, al principio) para obtener el campo de visión deseado. Ajustar la lente de la cámara para centrarse en la placa de la blanco de calibración. Asegúrese de que todo el campo se concentra. Si no es así, las coordenadas de la cámara pueden ser ortogonales a la placa de la blanco de calibración. Por lo tanto, ajustar la cámara cuidadosamente la posición18.</li>
		<li>Tomar varios marcos después de que la cámara esté bien configurada. Más tarde, estos marcos de la placa de la blanco de calibración se utilizará para calibrar el factor de escala entre el tamaño real y el pixel de marco y para identificar la posición de referencia en las coordenadas xyz. Luego, retire la placa de la blanco de calibración.</li>
	</ol></li>
	<li>Prenda el túnel de viento a baja velocidad (por ejemplo, 3 m/s) e inyectar partículas de aceite en el túnel de viento. La presión del generador de aerosol a 2,5 bar y operar durante 30 s por el método de visualización de flujo previamente sembradas. Después de esto, el túnel de viento todo va ser sembrado uniformemente con las partículas de aceite en un diámetro normal de alrededor de 1 μm. Nota: En el presente estudio, la concentración de densidad de partículas de petróleo estimado en el túnel de viento es de aproximadamente <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq2.jpg"> en la visualización del flujo del humo; así, el cambio de densidad de flujo total en el túnel de viento es <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq3.jpg"> .</li>
	<li>Instalación del software de PIV
	<ol>
<li>Controlar el sistema PIV con el software PIV (véase tabla de materiales). Este software puede ordenar el sincronizador para enviar señales TTL al laser y la cámara, como se muestra en la Figura 1b.</li>
		<li>Establecer la frecuencia de muestreo de 5 Hz, con un número de muestreo total de 500. El intervalo de tiempo entre los fotogramas de la PIV es 80 μs. Nota que el intervalo de tiempo es dependiente en el tamaño de la velocidad de flujo y campo visual. Asegúrese que las áreas de interrogatorio en dos marcos sobre una superposición del 50-75%.</li>
	</ol></li>
</ol>2. ejecución del experimento
<ol><li>
Mejora de visualización del flujo de humos
	<ol>
<li>Encienda el túnel de viento a la velocidad deseada de corriente (U = 2.64 m/s). Correr por 10 minutos estabilizar la velocidad de la corriente. En Re = 50.000, la velocidad de la corriente es U = 2.64 m/s.</li>
		<li>Encienda el láser continuo. Utilizar la cámara digital para capturar instantáneas de 5-10 de la estructura de flujo.</li>
		<li>Comprobar si la hoja láser se encuentra en la sección longitudinal de la base LEV (ver la estructura típica se muestra en la figura 3). Si es así, marque esta posición en el modelo de ala delta como una referencia para la medición de PIV más adelante; de lo contrario, cambiar la posición de la hoja del láser mediante el ajuste de la lente óptica y reiniciar la calibración siguiendo pasos 1.4.6 - 1.5.3.</li>
		<li>Revisar las imágenes y comprobar el enfoque y el brillo. Si no es satisfactoria la calidad de imagen, ajuste la abertura de la lente o la configuración ISO.</li>
		<li>Tomar más instantáneas (típicamente alrededor 20) y videos (aproximadamente 40 s) con la configuración adecuada. Apague el láser y transfiera los datos al ordenador.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medición de PIV
	<ol>
<li>Según la posición de referencia conocida de paso 2.1.3 y los resultados de las instantáneas del paso 2.1.5, elija una región interesante (x/c≈ 0.3) como el campo visual, donde se observan subestructuras en torbellino. Vuelva a colocar el láser continuo y cámara digital con el láser de pulso dual y cámara CCD para la medición de PIV.</li>
		<li>Repita los pasos 1.4.6 - 1.5.3 para registrar la calibración para la medición de PIV.</li>
		<li>Encienda el túnel de viento a la velocidad de la corriente deseada, U = 2.64 m/s. ejecutarlo durante 10 minutos para asegurar que la velocidad de la corriente es estable.</li>
		<li>Ajustar el láser de pulso dual al más alto nivel de energía y a. Utilizar el software para iniciar la adquisición de datos 100 s. Una vez terminada la grabación de datos, apague la cabeza láser.</li>
		<li>Revisar las imágenes adquiridas en el software y comprobar la distribución de la hoja del laser, la densidad de la partícula (generalmente 6-10 partículas en cada área deseada interrogatorio), el enfoque y el desplazamiento de partículas entre los fotogramas dobles (25-50% del interrogatorio área).</li>
		<li>Si la calidad de las imágenes es satisfactoria, como se describe en el paso 2.2.5., guardar los datos en el disco duro de la PC y ejecutar los otros casos, repitiendo los pasos anteriores. De lo contrario, repita los pasos del 1.7 y 2.2 y ajustar cuidadosamente la configuración.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. procesamiento de datos
<ol><li>
Mejor visualización de humo Nota: Los pasos siguientes, 3.1.1-3.1.4, se hace vía código MATLAB automáticamente (véase el Archivo de codificación complementaria).<ol>
<li>Transformar el video en una secuencia de fotogramas. Convertir los marcos de la forma RGB a escala de grises. Gire el marco horizontal para la superficie de ala delta. Elija el área de interés para el proceso posterior (Figura 2a).</li>
		<li>Ajustar el brillo y el contraste para resaltar la estructura de flujo. Aplicar un umbral adaptativo para transformar la imagen gris para una imagen binaria (figura 2b).</li>
		<li>Encuentre la posición en que la suma de repente cambia y sumar los valores binarios de cada columna. Esta posición es la localización de la avería de vórtice (figura 2C).</li>
		<li>Registre las ubicaciones de desglose de vortex y sus tiempos correspondientes. Así, se puede obtener la historia del tiempo de la oscilación de la avería.</li>
		<li>Utilizar el factor de escala de tamaño de píxel real (medido de las imágenes con la placa de la blanco de calibración paso 1.5.3) para transformar la historia de tiempo de píxeles a tamaño real y para identificar la posición de referencia. Trama de la historia del tiempo de la oscilación de la avería.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medición de PIV
	<ol>
<li>Ejecute el software PIV. Utilice las imágenes adquiridas en paso 2.2.2 para establecer el factor de escala y la posición de referencia de las coordenadas. Procesamiento previo de los datos adquiridos a través de la biblioteca de procesamiento de imagen para resaltar las partículas y reducir ruido18.</li>
		<li>Utilice el método de área adaptativa interrogatorio con un tamaño mínimo de la red de 32 × 32 píxeles y un traslapo mínimo de 50%. Elija el área de imagen y establecer una validación de vector 3 x 3 para las correlaciones de Cruz adaptativas.</li>
		<li>El resultado se da como un campo del vector velocidad, en que los vectores azules están los vectores correcto, los verdes son los vectores sustituidos, y los rojos son malos vectores.</li>
		<li>Aplicar el 3 x 3 método de validación promedio para estimar la velocidad local comparando los vectores en su barrio en movimiento. Sustituir los vectores que se alejan demasiado de sus vecinos con la media de sus vecinos.</li>
		<li>Calcular estadísticas de vector de los mapas de velocidad para obtener las características del flujo en la historia del tiempo, por ejemplo, la velocidad del tiempo-hecha un promedio, la desviación estándar y la correlación cruzada entre los componentes de la velocidad. Calcular los derivados escalares desde el mapa de vectores para demostrar las características internas del campo de flujo, por ejemplo, la vorticidad, tensiones de cizallamiento y fuerza de remolino.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Este artículo presenta los dos métodos de visualización de flujo, visualización de flujo de humo mejorada y medición PIV, para investigar la estructura de flujo sobre el ala de delta cualitativa y cuantitativamente. Paso a paso se describen los procedimientos generales del experimento. Las configuraciones de estos dos métodos son casi iguales, mientras que los dispositivos involucrados son diferentes. El principio básico de estos métodos de visualización de dos flujo es iluminar las partículas en el flujo a través de la ...

Medida del campo de caudal mediante técnicas de visualización es una metodología básica en Ingeniería flúida. Entre las técnicas de visualización diferentes, visualización de flujo de alambre humo en túnel de viento experimentos y visualización de tinte en experimentos de túnel de agua son los más utilizados para ilustrar estructuras de flujo cualitativo. PIV y Láser Doppler anemometría (LDA) son dos típicas técnicas cuantitativas1.
En la visualización de flujo de alambre humo, humo línea es generado a partir de gotitas de aceite sobre un alambre de la calefacción o inyectada desde el exterior generador de humo/contenedor durante los experimentos. Luces de alta potencia o laser hojas se utilizan para iluminar la línea de humo. Luego se graban imágenes para su posterior análisis. Este es un sencillo pero muy útil flujo visualización método2. Sin embargo, la efectividad de este método puede verse limitada por diversos factores, como la corta duración de hilos de humo, el campo de flujo tridimensional complejo, la velocidad relativamente alta del flujo y la eficiencia de la generación del humo3.
En las medidas de PIV, un corte transversal de un campo de flujo con partículas arrastradas es iluminada por una hoja de laser y posiciones instantáneos de las partículas en esta sección son capturados por una cámara de alta velocidad. Dentro de un intervalo muy pequeño de tiempo, se registra un par de imágenes. Al dividir las imágenes en una cuadrícula de las áreas de interrogatorio y calcular el movimiento promedio de las partículas en las áreas de interrogatorio a través de funciones de correlación cruzada, puede obtenerse el mapa de vector de velocidad instantánea en este corte transversal observado. Sin embargo, también se sabe que deben alcanzarse compromisos de factores incluyendo el tamaño de la ventana de observación, la resolución del mapa de velocidad, la magnitud de la velocidad en el plano, el intervalo de tiempo entre el par de imágenes, la velocidad ortogonal magnitud y la densidad de partículas4. Por lo tanto, muchos experimentos de exploración pueden ser necesaria para optimizar la configuración experimental. Sería costoso y desperdiciador de tiempo investigar un campo desconocido y complejo flujo con PIV medición solo5,6. Teniendo en cuenta las preocupaciones anteriores, una estrategia para combinar la visualización de flujo de humo y medición PIV es propuesta y demostrada aquí para estudiar el complejo flujo sobre un ala de delta fino.
Numerosos estudios de los flujos de la LEV sobre alas delta han sido realizados7,8, con técnicas de visualización de flujo utilizada como principales herramientas. Se han observado muchos fenómenos interesantes de flujo: tipo espiral y burbuja tipo vórtice averías9,10, un corte inestable capa subestructura11,12, oscilaciones de puntos de ruptura LEV13 , y los efectos de cabeceo y guiñada ángulos14,15,16 sobre las estructuras de flujo. Sin embargo, los mecanismos subyacentes de fenómenos inestables en los flujos de ala delta siendo claro7. En este trabajo, se mejora la visualización de flujo de humo usando el mismo partículas de siembra utilizadas para la medición de PIV, en lugar de un hilo de humo. Esta mejora grandemente simplifica la operación de la visualización y aumenta la calidad de las imágenes. Basado en los resultados de la visualización de flujo de humo mejorada, medición PIV se centra en los campos de flujo de interés para la adquisición de la información cuantitativa.
Aquí, se proporciona una descripción detallada para explicar cómo llevar a cabo un experimento de visualización de flujo en un túnel de viento y para investigar fenómenos de flujo transitorio en un ala delta. Dos métodos de visualización, el flujo de humo mejorada visualización y medición PIV, se utilizan conjuntamente en este experimento. El procedimiento incluye guía paso a paso para el ajuste de la configuración y los parámetros del dispositivo. Se demuestran resultados típicos para mostrar la ventaja de combinar estos dos métodos para medir el campo de flujo complejo espacial y temporal.

<table><tbody><tr><td>532 nm Láser Nd:YAG</td><td>Quantel Laser</td><td>Evergreen 600mJ</td><td></td></tr><tr><td>Cámara de alta velocidad</td><td>Dantec Dynamic</td><td>HiSense 4M</td><td></td></tr><tr>lente de<td>cámara</td><td>Tamron</td><td>SP AF180mm F/3.5 Di</td><td></td></tr><tr><td>PIV software de grabación y procesamiento</td><td>Dantec Dynamic</td><td>DynamicStudio</td><td></td></tr><tr><td>lente cilíndrica</td><td>Newport</td><td></td><td>&Phi;=12 mm</td></tr><tr><td>lente convexa</td><td>Newport</td><td></td><td>f=700 mm</td></tr><tr><td>filtro de densidad neutra</td><td>Newport</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Objetivo</td><td></td><td></td> de calibración generador de aerosol <td>hecho a medida</td></tr><tr><td></td><td>TSI</td><td>TSI 9307-6</td><td></td></tr><tr><td>GENERADOR DE PULSOS</td><td>Berkeley Nucleonics Corp</td><td>BNC 575</td><td></td></tr><tr><td>láser</td><td></td> continuo <td>APGL-FN-532-1W</td><td></td></tr><tr><td>Cámara digital</td><td>Nikon</td><td>Nikon D5200</td><td></td></tr><tr><td>Procesamiento de imágenes</td><td>Matlab</td><td></td><td>código personalizado</td></tr> túnel de <tr><td>viento soporte</td><td></td><td></td> por <td>encargo</td></tr><tr><td>nivel láser</td><td>BOSCH</td><td>GLL3-15X</td><td></td></tr><tr><td>medidor de ángulo</td><td>BOSCH</td><td>GAM220</td><td></td></tr></tbody></table>

investigación experimental de la estructura de flujo sobre un ala delta por medio de métodos de visualización de flujo

Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods

Es bien sabido que el campo de flujo sobre un ala de delta es dominado por un par de vórtices de punta giratoria de contador (LEV). Sin embargo, su mecanismo no se comprende bien. La técnica de visualización del flujo es un método no invasivo prometedor para ilustrar el campo de flujo complejo espacial y temporal. Una configuración de visualización de flujo básico consiste en un láser de alta potencia y lentes de ópticas para generar la hoja láser, una cámara, un generador de partículas trazadoras y un procesador de datos. La configuración de túnel de viento, las especificaciones de los dispositivos involucrados y los valores correspondientes del parámetro dependen de las características de flujo a obtenerse.
Visualización de flujo de alambre humo normal utiliza un hilo de humo para mostrar la línea de flujo. Sin embargo, los resultados de este método está limitado por la pobre resolución espacial cuando se lleva a cabo en un campo de flujo complejo. Por lo tanto, se ha desarrollado una técnica de visualización de flujo de humo mejorada. Esta técnica ilustra el campo de flujo LEV global a gran escala y la estructura de flujo de cizalla pequeña capa al mismo tiempo, proporcionando una valiosa referencia para la medición de más adelante toda partícula imagen velocimetry (PIV).
En este trabajo se demuestra la aplicación de la visualización mejora flujo de humo y medición PIV para el estudio de los fenómenos de flujo transitorio en un ala delta. El procedimiento y precauciones para llevar a cabo el experimento aparecen, incluyendo configuración de túnel de viento, adquisición de datos y procesamiento de datos. Los resultados representativos muestran que estos métodos de visualización de dos flujo son técnicas efectivas para investigar el campo de flujo tridimensional cualitativa y cuantitativamente.

Figura 2d muestra las historias de tiempo de los lugares de distribución LEV. La curva negra indica el LEV de babor y la curva roja indica el estribor LEV. La escala de tiempo es nondimensionalized por la velocidad y acorde la longitud de la corriente libre. El coeficiente de correlación entre estas dos historias de momento es r = −0.53, lo que indica una fuerte interacción anti simétrica de las oscilaciones de localización de avería LEV. Este result...

Aquí, presentamos un protocolo para observar corrientes en torbellino inestables sobre un ala de delta usando una técnica de visualización de flujo modificado de humo e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las localizaciones de desglose de vórtice de vanguardia.

Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo

It is well known that the flow field over a delta wing is dominated by a pair of counter rotating leading edge vortices (LEV). However, their mechanism is ...

El objetivo general de este experimento es observar los flujos de vórtices inestables sobre un ala delta utilizando técnicas de visualización e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las ubicaciones de ruptura del vórtice del borde de ataque. Este método puede ayudar a responder preguntas clave sobre el fenómeno de flujo inestable de un ala delta cilíndrica, como la oscilación del borde delantero de la ubicación de la ruptura del vértice. La principal ventaja de esta técnica es que el campo de flujo de vórtice del borde de ataque global a gran escala y las subestructuras celulares a pequeña escala se pueden ilustrar simultáneamente.Comience con el modelo del experimento. Para este experimento, el modelo es un ala delta de aluminio de 280 milímetros de largo. Lleve el modelo a montarlo en el túnel de viento, que es de circuito cerrado y baja velocidad.Su sección de prueba tiene paredes de vidrio para permitir el acceso óptico al experimento. Aquí, el ala delta se ha montado correctamente en el túnel de viento. Dos láseres pueden iluminar las estructuras de flujo, un láser de doble pulso de 532 nanómetros durante la velocimetría de imágenes de partículas o un láse

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Research

Investigación

JoVE Journal

Engineering

Ingeniería

Los pólipos del doblez vocal pueden interrumpir dinámica del doblez vocal y pueden tener así consecuencias devastadoras en un patient' capacidad de s de comunicarse. La separación tridimensional del flujo inducida por un pólipo modelo montado en la pared y su impacto en la carga de la presión de la pared se examinan usando velocimetría de la imagen de la partícula, visualización de la línea de fricción de la piel, y medidas de la presión de la pared.

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Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo

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