Name: 시각적으로 일반 기판의 초기 입자 동작의 특성을 기반으로: 층 류 난 류 조건 하에서 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-02-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 51 s
Description: 학습하세요 층류에서 난류까지 흐름 조건에서 퇴적층 기하학이 입자 운동에 미치는 영향을 정량화하는 방법을. 규칙적인 기판을 사용하여 국소 기하학 효과를 명확히 분석하고 유체역학 및 퇴적물 수송 연구에 활용할 수 있습니다.

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저자는 귀중 한 조언에 대 한 알 수 없는 심판을 Sukyung 최 Byeongwoo 코, Baekkyoung 신 공동 실험 설정에 대 한 감사. 이 작품은 2017 년에서 뇌 부산 21 프로젝트에 의해 지원 되었다.

저자 공개할 게 없다

우리는 앙금 침대 기하학의 기능으로 초기 입자 동작을 특성화에 대 한 두 가지 실험 방법을 제시. 그 목적을 위해 우리는 정기적으로 삼각형 또는 정방형 대칭 기하학 매개 변수는 단일 형상에 단순화 하는 방식에 따라 배열 하는 분야의 단층을 사용 합니다. 들어온다 흐름도, 우리는 이전 연구39,,4041에서 층 류 전단 흐름을 유도 하는 회전 rotameter를 사용 하 여 실험 방법 설명. 예비 실험 초기 모션 방사형 위치 또는 기판38의 업스트림 테두리에서 거리 같은 기판의 유한 크기 효과의 독립적 남아 있었다 보였다. 마찬가지로, 중요 한 방어막 번호 간격 내에서 상대 흐름 침수의 독립적인 발견 <img alt="Equation 71" src="/files/ftp_upload/57238/EQ/57238eq071.jpg...

초기 입자 모션 다양 한 산업 및 자연 프로세스에서에서 발생 합니다. 환경 등 토사의 초기 과정 1,,23강 및 바다, 침대 침식 또는 다른 사람 사이 언덕 대형에 수송. 공4를 전달, 오염 물질의 제거 또는 표면5,6 의 청소는 입자 모션의 개시를 포함 하는 전형적인 산업 응용.
응용 프로그램의 광범위 한 범위로 인해 입자 모션의 광범위 하 게 공부 하고있다 세기 동안, 난 류 조건7,,89,10,11에서 주로 12,13,,1415. 많은 실험적인 접근 모션의 발병에 대 한 임계값을 결정 하기 위해 적용 되었습니다 했습니다. 레이놀즈 번호13,,1617,18,19,20, 상대 흐름 침수 입자 같은 매개 변수를 포함 하는 연구 21 , 22 , 23 , 24 또는 기하학 요인의 각도 휴식16,,1825, 흐름26,27,,2829에 노출 상대 곡물 돌출29 또는 streamwise 침대 사면30.
사나운 조건을 포함 한 임계값에 대 한 현재 데이터 광범위 하 게 흩어져12,31 고 결과 종종 일관성24. 이것은 주로 제어 또는 난 류 조건13,14에서 흐름 매개 변수 결정의 고유의 복잡성. 게다가, 앙금 모션에 대 한 임계값은 강하게 모션, 즉 슬라이딩, 롤링 또는 드는17 및 기준31초기 동작 특성의 모드에 따라 다릅니다. 후자 erodible 앙금 베드에서 모호한 수 있습니다.
지난 10 년 동안 실험 연구자 층 흐름32,33,,3435,36,37, 에서 초기 입자 모션 공부 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44, 침대와 상호 작용 하는 길이 비늘의 넓은 스펙트럼은45피할. 많은 실용적인 시나리오 암시 하는 침전 입자는 아주 작은 하 고 입자 레이놀즈 수 약 5 보다 낮은 남아46. 다른 한편으로, 층 류 흐름으로 난 류 흐름42,47물결과 언덕으로 기하학적 인 패턴을 생성할 수 있습니다. 두 regimens에 similitudes 유례는 기본 물리47 더 나은에서 입자 수송에 대 한 중요 한 통찰력을 얻을 수 있습니다 그래서 제어 실험 시스템48반영 하기 위해 표시 되었습니다.
층 류, Charru 그 외 여러분 발견 포화 조건 달성 했다 때까지 균일 하 게 크기의 구슬, armouring, 소위 침대의 세부적인 침대의 로컬 재배치 모션의 발병에 대 한 임계값의 진보적인 증가 결과 그러나 32. 문학,, 실험 설정36,44에 따라 불규칙 하 게 배열 된 침전 물 침대에서 포화 상태에 대 한 서로 다른 임계값을 보여준다. 이 산란 방향, 돌출 수준 등은 앙금의 소형 파티클 파라미터를 제어의 어려움이 될 수 있습니다.
이 원고의 주요 목표는 수평 퇴적 침대의 기하학적 속성의 기능으로 단일 분야의 초기 동작을 특성화 하는 방법을 자세히 설명 하는. 그 목적을 위해 우리는 정기적으로 삼각형 또는 정방형 구성에 따라 배열 고정된 구슬의 monolayers의 구성 된 일반 형상, 사용 합니다. 우리가 사용 하는 일반 기판 비슷한 입자 유도 미세 분석49, 렌 한정 된 구조적된 형상50 또는 내장의 자기 조립 입자의 서식 파일 어셈블리와 같은 응용 프로그램에서 발견 되 microchannels51에 전송 합니다. 더 중요 한 것은, 일반 상토를 사용 하 여 로컬 형상 및 방향의 영향을 강조 하 고 이웃의 역할에 대 한 어떤 dubiety을 피하기 위해 수 있습니다.
층 류 흐름에 중요 한 방패 수만 흐름38에 구슬의 노출에 따라서 및 기판 분야 사이의 간격에 따라 50% 증가 관찰 합니다. 마찬가지로, 우리는 중요 한 방패 수 발견을 흐름 방향38기판의 방향에 따라 두 배까지 하 여 변경. 우리는 만약 그들이 3 입자 직경41보다 가까이 움직이지 이웃 모바일 구슬의 영향 것으로 나타났습니다. 실험 결과 의해 트리거됩니다, 우리 최근 들어온다 흐름 제한40에 중요 한 방패 수를 예측 하는 엄격한 분석 모델을 제시 했습니다. 모델 숨겨진된 구슬에 높은 노출에서 모션의 발병을 다룹니다.
전단에서 이전 연구에서 사용 된 실험 절차의 설명 레이놀즈 번호 Re * 다루는이 원고에의 첫 번째 부분, 1 보다 낮은. 층 류 병렬 구성으로 회전 고분자로 유도 된다. 이 낮은 레이놀즈 번호 제한에서 입자는 어떤 속도 변동20 경험 안 하 고 입자 점성 하위 레이어 내에서 침수는 소위 hydraulically 부드러운 흐름을 일치 하는 시스템.
층 류에서 초기 모션 설정 되 면 난 기류의 역할을 명확 하 게 될 수 있다. 이 아이디어에 의해 동기, 우리는 프로토콜의 두 번째 부분에서 새로운 실험 절차 소개. 번호를 확인할 수 있습니다에 넓은 범위의 Re * hydraulically 과도 적인 흐름 등 사나운 정권에 중요 한 보호막 오픈 제트 테스트 섹션, 괴팅겐 저속 바람 터널을 사용 합니다. 실험 결과 힘과 토크 기판 형상에 따라 난 류 흐름으로 인해 입자에 행동 하는 방법에 대 한 중요 한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 게다가, 이러한 결과 세미 확률 모델52 피드 또는 최근 수치 모델53유효성을 층 류에서 과거 일 사용 되었습니다 비슷한 방식에서에서 높은 재 * 더 정교한 모델에 대 한 벤치 마크로에 사용할 수 있습니다. 우리에 다시 * 40에서 150까지 응용 프로그램의 몇 가지 대표적인 예를 제시.
초기 조건 다음 중 하나를 초기 평형 위치에서 단일 입자의 모션 설정 됩니다. 이미지 프로세싱 모션, 즉 의 발병의 모드를 결정 하는 롤링, 슬라이딩,39,41해제. 그 목적을 위해 수동으로 표시 된 모바일 분야의 회전 각도 감지 됩니다. 알고리즘의 표시 위치를 추적 하 고 구 중심 비교. 실험의 예비 된 중요 한 방패 수 설치 및 상대 흐름 침수의 유한 크기 효과의 독립적인 남아 명확 하 게 두 실험 설정에서 실시 됐다. 실험 방법 따라서 다시 * 및 침전 물 침대의 기하학적 속성을 넘어 중요 한 방패 수에 다른 매개 변수를 제외 하려면 설계 되었습니다. 다시 * 다른 액체 입자 조합을 사용 하 여 변화 된다. 중요 한 방패 수 매장 정도의 기능으로 특징 이다 <img alt="Equation 01" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq001.jpg"> </img>, 마티 외. 여 정의 37 로 <img alt="Equation 02" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq002.jpg"> 어디 <img alt="Equation 03" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq003.jpg"> 휴식, 즉 임계 각도 모션에54, 발생의 각도 <img alt="Equation 04" src="/files/ftp_upload/57238/57238eq004.jpg"> 흐름에 효과적으로 노출 하는 횡단면 지역 사이 비율로 정의 노출 정도 모바일 구슬의 전체 횡단면 영역.

<table><tbody><tr><td>MCR 302 회전식 유변계</td><td>Anton Paar</td><td>전단 층류</td><td></td>유도</tr><tr><td>측정 플레이트 PP25</td><td>Anton Paar</td> 전<td>단 층류</td><td></td>유도</tr><tr><td>펠티에 시스템 P-PTD 200</td><td>Anton Paar</td><td>층류</td><td></td>시스템에서 실리콘 오일의 온도를 일정하게 유지</tr><tr><td>약 10 및 100 mPas의 점도를 가진 실리콘 오일</td><td>Basildon 화학 물질</td><td>(</td>405.9 &plusmn; 8.7) &mu의 소다 석회 유리 구슬 입자<td></td>에서 전단을 유도하는 데 사용되는 유체</tr><tr><td>; m</td><td>The Technical Glass Company</td><td>층류 조건을</td><td></td>위한 일반 기판의 구성</tr><tr><td>Opto Zoom 70 Module 0.3x-2.2x</td><td>WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH</td><td>레오미터의 비드 모션을 기록하기 위한 이미징 시스템</td> 2 x TV-Tube 1.0x, D=35 mm, L=146.5 mm WEISS IMAGING AND SOLUTIONS GmbH 레오미터의 비드 모션을 기록하기 위한 이미징 시스템 <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>UI-1220SE CMOS 카메라</td><td>IDS Imaging Development Systems GmbH</td><td>레오미터에서 비드 모션을 기록하기 위한 이미징 시스템</td> UI-3590CP CMOS 카메라 IDS Imaging Development Systems GmbH 레오미터에서 비드 모션을 기록하기 위한 이미징 시스템 Volpi IntraLED 3 - LED 광원&nbsp;<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td>유변계의 비드 모션을 기록하기 위한</td> <td>Volpi USA</td> 이미징 시스템 액티브 라이트 가이드 직경 5mm Volpi USA 레오미터의 비드 모션을 기록하기 위한 이미징 시스템 300와트 크세논 아크 램프 Newport Corporation 레오미터의 비드 모션을 기록하기 위한 이미징 시스템 오픈 제트 테스트 섹션이 있는 풍동, G&ouml;<td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> 팅겐 타입&nbsp;</td><td>Tintschl BioEnergie und Str&ouml; mungstechnik AG</td><td>난류</td><td></td>유도</tr><tr><td>(2.00 &plusmn; 0.10) mm의 유리 구체</td><td>Gloches 대한민국</td><td>난류 유동 조건을</td><td></td>위한 정규 기판의 구조</tr><tr><td>(5.00 &plusmn; 0.25) mm의 알루미나 구체</td><td>Gloches 대한민국</td><td>실험</td><td></td>용 타겟 비드</tr><tr><td>CTA 풍속계 DISA 55M01</td><td>Disa Elektronik A/S&nbsp;</td><td>풍동의</td><td></td>유속 측정</tr><tr><td>Miniaure Wire Probe Type 55P15</td><td>Dantec Dynamics</td><td>풍동의</td><td></td>유속 측정</tr><tr><td>HMO2022 디지털 오실로스코프, 2 아날로그. Ch., 200MHz</td><td>Rohde & Schwarz</td> 풍동<td></td><td>에서의 유속 측정</td></tr><tr><td>Phantom Miro eX1 High-speed Camera</td><td>Vision Research IncVis</td><td>풍동에서의 비드 모션을 기록하는 이미징 시스템</td> Canon ef 180mm f/3.5 l usm 매크로 렌즈 풍동에서의 비드 모션을 기록하기 위한 Canon Imaging 시스템 Table LED Lamp Gloches South Korea <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td>풍동에서 비드 움직임을 기록하기 위한 이미징 시스템</td><td></td></tr></tbody></table>

시각적으로 일반 기판의 초기 입자 동작의 특성을 기반으로: 층 류 난 류 조건 하에서

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

층 류에서 난 류 조건에 침대의 기하학적 속성의 기능으로 입자 모션의 임계값을 결정 하기 위한 두 가지 실험 방법은 제시 됩니다. 그 목적에 대 한 단일 구슬의 초기 모션 삼각형 및 이차 대칭에 정기적으로 정렬 된 균일 한 크기의 고정된 분야의 단층으로 구성 된 일반 기판에 공부 된다. 중요 한 방패 수 임계값 특징 이다. 모션의 발병에 대 한 기준 인접 한 원래 평형 위치에서 변위로 정의 됩니다. 변위와 모션의 모드는 이미징 시스템으로 식별 됩니다. 층 류 병렬 디스크 구성으로 회전 고분자를 사용 하 여 유도 된다. 레이놀즈 수 전단 1 남아 있습니다. 난 류는 오픈 젯 테스트 섹션 저속 바람 터널에서 유도 된다. 공기 속도 송풍기 팬에 주파수 변환기와 함께 통제 된다. 속도 프로 파일은 뜨거운 영화 풍속 계에 연결 된 열 선 프로브 측정 됩니다. 레이놀즈 수 전단 40와 150 사이 범위. 로그 속도 법과 Rotta 제시한 수정된 벽 법 전단 속도 실험 데이터 로부터 추론 하는 데 사용 됩니다. 후자는 특별 한 관심의 모바일 비드 부분적으로 소위 hydraulically 과도 적인 흐름 정권에서 난 류 흐름에 노출 되 면. 전단 응력은 모션의 발병에서 추정 된다. 휴식, 각도 전단 흐름을 구슬의 노출의 강한 영향을 보여주는 몇 가지 설명을 결과 두 정권에서 표시 됩니다.

그림 1 (a) 들어온다 흐름도, 프로토콜의 섹션 1에서에서 중요 한 방패 수 하는 데 사용 하는 실험 설정의 스케치를 나타냅니다. 측정 된 값이 특정 응용 프로그램에 대 한 수정 된 회전 고분자에서 지휘 된다. 지름 70 mm의 투명 한 유리 접시 신중 하 게 25 m m 직경에서의 병렬 플레이트에 고정 되었다. 측정 시스템의 관성 측정 하기 전에 따라서 재조정 했다. 투명 한 벽으로 직경에서 176 m m의 사용자 지정 된 원형 컨테이너 동심는 고분자를 결합 했다. 세로 컷 앞 섹션에서 수행 되었다. 현미경 슬라이드는 이미지를 개선 하려면 앞 섹션을 신중 하 게 고정 되었다. 간격 설정 프로필 컨테이너의 존재 계정에 걸릴를 재조정 했다. 플레이트 속도 측정을 시작 하기 전에 비드 움직임을 피하기 위해 유체 인터페이스에 가까운 최소화 했다. 그 시스템에서 단일 비드 투명 한 격판덮개를 ...

형상의 앙금 침대 층 류에서 난 류 흐름에 기능으로 하나의 구슬의 초기 입자 모션을 특성화에 대 한 두 가지 방법은 제공 됩니다.

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

이 실험 절차의 목표는 삼각형 또는 2차 구성에 따라 규칙적으로 배열된 고정된 비드의 단층으로 구성된 규칙적인 기판을 사용하여 초기 입자 운동에 대한 퇴적층 형상의 영향을 정량화하는 것입니다. 초기 입자 운동은 더 깨끗한 표면, 오염 물질 제거, 여과 공정 또는 미세입자의 템플릿 조립을 포함한 미세유체역학과 같은 광범위한 산업 응용 분야에서 발견됩니다. 일반 기질을 사용하는 주요 이점은 지역 퇴적층 기하학 방향의 영향을 분석할 수 있어 이웃의 역할에 대한 의무를 피할 수 있다는 것입니다.우리는 크리핑 흐름 한계에서 수압적으로 거친 흐름에 이르기까지 광범위한 입자 레이놀즈 수를 다루기 위해 두 가지 다른 방법을 제안합니다. 이 방법의 결과는 또한 퇴적물 수송 또는 곡물 층 침식과 같은 자연 과정에서 국소 층 기하학의 영향을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 회전식 유변량계의 사용은 입자 유체역학 응용 분야에서 일반적이지 않을 수 있기 때문에 이 방법을 시각적으로 시연하는 것이 중요합니다.풍동을 이용한 방법을 시연할 사람은 이 주제에 대한 석사 논문을 막 마친 우리 연구실 대학원생 한지원 씨입니다. 이러한 측정은 회전식 유변량계에서 이루어집니다. 레오미터는 맞춤형 원형 투명 용기를 포함하도록 수정됩니다.이미징을 개선하기 위해 현미경 슬라이드가 내장되어 있습니다. 용기의 바닥에는 일반 기판이 있으며, 그 예는 두 개의 디지털 카메라와 두 개의 광원을 포함하여 설정에 대한 개요를 제공하는 이 회로도에 있습니다. 레오미터가 정상 작동할 수 있도록 준비합니다.그런 다음 레오미터 플레이트에 맞춤형 어댑터를 놓고 플레이트 위에 기판이 있는 용기도 장착합니다. 현미경 슬라이드가 카메라를 향하는지 확인합니다. 레오미터와 해당 소프트웨어를 시작하고, 초기화하고, 온도를 설정합니다.다음으로 사용자 정의 회전 디스크를 가져옵니다. 직경 70mm의 투명 아크릴 유리판을 직경 25mm의 판에 고정한 것입니다. 이것을 장착하고 높이 기준점을 설정합니다.그런 다음 회전 디스크를 들어 올려 제거합니다. 용기에 실리콘 오일을 채워 준비를 완료합니다. 이미징 시스템 작업을 시작합니다.여기에는 CMOS 카메라와 컨테이너를 위에서 볼 수 있는 대물 렌즈가 포함됩니다. 두 번째 고속 카메라는 컨테이너 내부를 측면으로 볼 수 있습니다. 보기는 현미경 슬라이드를 통해 볼 수 있습니다.크세논 램프와 LED를 켜서 용기를 비춥니다. CMOS

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Visually based characterization of the incipient particle motion in regular substrates: From laminar to turbulent conditions(일반 기판에서 초기 입자 운동의 시각적 기반 특성화: 층류에서 난류 조건까지)

고해상도, 고속 입자 영상 유속계 (PIV)를 사용하여 경계 근처에 과도 흐름을 연구하는 절차는 여기에 설명되어 있습니다. PIV는 이미지와 기록 특성, 레이저 시트 속성 및 분석 알고리즘과 같은 여러 매개 변수 제약 조건을 최적화하여 모든 광학적 접근이 흐름에 적용 할 수있는 비 간섭 측정 기술입니다.

표면 근처 고속 입자 이미지 유속계

다른 물리적 매개 변수를 매우 짧은 시간 (밀리 초 미만의 제 10 호)에 역학에 영향을 미치는 때문에 비 뉴톤 유체의 낙하 충격은 복잡한 과정이다. 빠른 이미징 기술은 다른 비 뉴턴 유체의 영향 행동을 특성화하기 위해 도입된다.

비 뉴턴 유체의 낙하 충격 역학을 연구하기 위해 빠른 이미징 기술

공 초점 현미경은 매력적인 현탁액을위한 모델 시스템으로 공부하는 이미지 정지 흐르는 콜로이드 폴리머의 혼합물에 사용된다. 이미지 분석 알고리즘은 기하 구속에 의한 변화를 측정 콜로이드 입자의 구조 및 동적 메트릭을 계산하는 데 사용된다.

밀폐 무부하 흐르는 콜로이드 중합체 혼합물의 공 촛점 이미징

고속 이동 표면에서 액체 제트 충돌을 검사하기 위한 두 가지 실험 장치인 공기 대포 장치와 회전 디스크 장치에 대해 설명합니다. 이 장치는 레일 상단 마찰 제어를 위해 레일 트랙에 액체 마찰 조절제(LFM)를 적용하기 위한 최적의 접근 방식을 결정하는 데 사용됩니다.

이동 표면에 고속 액체 제트 매복의 시각화

우리는 3D 프린팅을 사용하여 잭, 십자, 테트라드 및 트라이어드 모양의 이방성 입자를 제작하며, 난류 유체 흐름의 정렬 및 회전은 여러 동시 비디오 이미지에서 측정할 수 있습니다.

오리엔테이션 및 회전 속도 측정하는 방법 난류의 입자를 3 차원 인쇄

네 도면 스플리터 고속 카메라 기반 입체 입자 추적 속도계 (3D-PTV) 시스템은 여기에 설명된다. 기술 하류 ≈ 7000 다시 레이놀즈 수에서 열 지름 근방 원형 파이프에서 제트류에인가된다.

난류 애플리케이션을위한 세 가지 차원 입자 추적 유속계 : 제트 흐름의 사례

원고는 움직이는 입자가 이미지 분석에 의해 추적되는 층상 퇴적물 수송 실험의 전도 프로토콜을 제시한다. 실험 시설, 실행 실현 및 데이터 처리 절차, 그리고 일부 개념 증명 결과가 여기에 제시됩니다.

베드로드 실험에서 이미지 기반 라그랑주 입자 추적

조밀한 액체의 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 실험적으로 접근 가능한 아날로그 방식 제공 됩니다. 기술은 진동, 높은 회복 곡 식 더미의 입자 이미지 velocimetry를 사용 하 고 동적 프로세스 알려지고 강력 하 게 상호 작용, 높은 밀도 가스 및 액체에 예측의 직접적이 고 거시적인 관찰을 수 있습니다.

조밀한 가스 및 액체 분자 유체 프로세스를 공부에 대 한 아날로그 거시적인 기술

흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 연구 프로토콜 제공 됩니다.

얇은 흐르는 액체 필름에 물방울 영향 역학 파의 기여를 공부 영화 컨트롤

여기에 설명 된 기술을 동시에 입자 운동학 및 낮은 입자 농도와 흐름에 난 기류를 측정 하는 저렴 한 가격과 상대적으로 간단한 방법을 제공 합니다. 기류 입자 이미지 velocimetry (PIV)을 사용 하 여 측정 되 고 입자 운동학 겹치는 분야-중-보기에서 고속 카메라로 얻은 이미지에서 계산 됩니다.

난 류와 흐름 이미징 기술을 사용 하 여 입자 운동학의 동시 측정

학습하세요 층류에서 난류까지 흐름 조건에서 퇴적층 기하학이 입자 운동에 미치는 영향을 정량화하는 방법을. 규칙적인 기판을 사용하여 국소 기하학 효과를 명확히 분석하고 유체역학 및 퇴적물 수송 연구에 활용할 수 있습니다.

시각적으로 일반 기판의 초기 입자 동작의 특성을 기반으로: 층 류 난 류 조건 하에서

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