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2020年  第35卷  第2期

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气动热力学与总体设计
空气/烟气组合对波转子发动机性能的影响
邢菲, 张霖琪, 产世宁
2020, 35(2): 225-234. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.001
摘要 PDF(2733KB) icon608 icon788
摘要:
针对波转子作为燃气轮机高压级构成的波转子发动机,考虑波转子普遍存在的烟气回流、空气排放现象及其形成的空气/烟气工质组合,建立热力学控制方程组,对波转子发动机总体方案进行对比和参数分析,并且基于热力循环模型分析参数影响关系的热力学原理。分析结果表明:烟气回流和空气排放的流量比例的增加会在不同程度上降低波转子发动机的循环功与热效率;烟气回流对总体性能的影响程度小于空气排放;适当提高波转子压比可以在考虑烟气回流和空气排放影响的前提下保持波转子发动机的总体性能。
风洞T型冲击三通管道流场特性数值模拟
丛成华, 秦红岗, 任泽斌
2020, 35(2): 235-243. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.002
摘要 PDF(4618KB) icon499 icon682
摘要:
在24 m跨声速风洞进气管路T型冲击三通连接处和隔板位置,每隔一定时间会出现裂纹,影响了风洞的安全稳定运行。为了解裂纹出现的原因,同时为改进设计提供依据,采用CFD(computational fluid dynamics)对风洞现有三通和优化方案进行了对比。控制方程为三维黏性不可压缩Navier-Stokes方程。结果表明：无隔板时,三通内的流动为最常见的类型,支管内存在3个分离区,在转向过程中形成第1分离区,即马蹄涡；随后是第2分离区,一对反向旋转的旋涡,即Dean涡,及三通顶部壁面形成第3分离区。流场沿y=0 mm和z=0 mm平面基本呈对称分布。有隔板时,流场的左右和上下结构均不对称；在隔板和外侧壁面间的角点形成范围较小的驻涡,在支管内形成不稳定的螺旋状分离涡,致使气流振荡,从而使得三通连接和隔板处管壁出现裂纹。根据上述流态设计了管路优化方案和整流装置,优化后能有效减小或消除分离；其中去掉隔板最简单易行,可以解决裂纹的问题。
开口风洞剪切层流场特性
倪章松, 张军, 王茂
2020, 35(2): 244-251. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.003
摘要 PDF(3642KB) icon566 icon672
摘要:
给出了开口风洞剪切层厚度简化计算公式,开展了数值计算,研究了扩散率和偏移量参数对剪切层速度剖面的影响;分别在两座开口风洞中开展了实验研究,得到了剪切层速度剖面、剪切层厚度、湍流强度和湍流功率谱的变化规律,并将理论结果与实验结果进行了对比分析,结果表明:离开喷口一定距离后,剪切层的轴向速度剖面强自相似,而横向速度剖面弱自相似;剪切层的厚度沿流向位置线性增长;湍流强度值在射流核心区较小且基本稳定,在剪切层区域快速增加;剪切层湍流功率谱为宽带谱,没有与周期性旋涡脱落相关的谱峰。
基于主动后缘小翼控制的旋翼厚度噪声试验
贺祥, 梅小宁, 杜溢华
2020, 35(2): 252-262. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.004
摘要 PDF(6206KB) icon489 icon670
摘要:
基于声压相消原理,提出了一种基于主动后缘小翼控制的旋翼厚度噪声降噪方法。基于Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)方法给出了后缘小翼主动控制条件下旋翼气动噪声的计算公式;进行了试验总体方案设计,在全消声室开展了噪声主动抑制的开环试验(扫频、扫相和扫幅),并与数值计算结果进行了对比,验证了计算方法及试验的有效性;分析了后缘小翼偏转参数(幅度、频率、初始相位)对旋翼厚度噪声降噪的影响规律;分析了观测距离对厚度噪声降噪的影响。试验结果表明:不同频率的偏转规律均有一个最优的初始控制相位,合适的偏转规律相位能有效降低桨盘平面内观测点的厚度噪声2～3 dB。
前可变面积涵道引射器特性的试验与数值模拟
陈佳, 胡文兵, 陈晓文
2020, 35(2): 263-271. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.005
摘要 PDF(3795KB) icon527 icon591
摘要:
为了研究主、次流的进口总压比及出口背压对前可变面积涵道引射器(FVABI)工作特性的影响与流动掺混机理,采用试验与三维数值模拟方法对不同进口总压比下引射器工作性能及掺混流场随背压变化规律进行了分析。结果表明:标准k -ε模型用于引射器掺混流场的模拟具有较好的准确性;进口总压比越大,引射器总压损失越大;进口总压比不变,随背压增加,引射器总压损失先减小后增加;进口总压比不变,引射器在背压变化过程中存在总压损失最小点;背压减小时,引射器存在临界工况点,且进口总压比越大达到临界工况点的背压越大,可变涵道比的范围变窄;主、次流掺混过程主要集中在沿气流方向上x/l=03~06位置之间,在黏性力作用下动量、质量充分交换,沿流向截面速度径向分布趋于均匀。
排气道钛合金环形声衬声学特性试验
霍施宇, 杨嘉丰, 邓云华
2020, 35(2): 272-279. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.006
摘要 PDF(2672KB) icon473 icon656
摘要:
根据钛合金蜂窝声衬潜在的应用环境,提出了考虑温度梯度影响的环形声衬消声效果的试验方法并研制了模拟发动机风扇排气道声学试验台,开展了钛合金环形声衬的声学特性试验研究。针对2 500 Hz、2阶周向模态的入射噪声和马赫数为02的切向来流工况,设计并制备了钛合金环形声衬,分别通过管道内声模态测试和远场指向性测试研究钛合金环形声衬的声学特性。试验结果表明:设计的钛合金声衬在目标工况下管道内降噪量为319 dB,远场1 m半径、30°~120°范围内的降噪量都超过20 dB;增加切向流速会扩展降噪频谱带宽,使降噪频谱峰值由低频向高频移动;增加背板温度对降噪频谱带宽几乎没有影响,但会使得降噪频谱峰值由低频向高频移动。
质量引射对边界层稳定性的影响
李瑾, 苏伟, 黄章丰
2020, 35(2): 280-293. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.007
摘要 PDF(6303KB) icon574 icon615
摘要:
采用直接数值模拟（DNS）方法和线性稳定性理论(LST)研究了质量引射对马赫数为6的钝板边界层中第二模态扰动演化的影响。研究了质量引射及扰动的不同因素对扰动演化的影响,包括引射速度幅值、引射宽度、位置、组合以及体积流量。研究结果表明:质量引射对二维和三维扰动波都起不稳定作用,当引射位置接近扰动波中性曲线的下支界时,不稳定作用最明显;体积流量是决定质量引射对边界层作用的重要因素;当体积流量较小时,质量引射组合放置能起到单个质量引射叠加的效果;LST预测得到的N值修正与直接数值模拟的结果相近,可以定量地反映质量引射对边界层流动稳定性的影响。
燃烧、传热、传质
燃烧室压力振荡对液-液同轴离心喷嘴混合比的影响
富庆飞, 贾伯琦, 杨立军
2020, 35(2): 294-297. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.008
摘要 PDF(858KB) icon469 icon566
摘要:
基于液体喷嘴动力学理论，对燃烧室压力振荡引起同轴喷嘴混合比振荡的动态过程进行了理论分析，推导得到了混合比振荡与燃烧室压力振荡之间的传递函数。通过算例计算了液氧煤油双组元喷嘴混合比对室压振荡响应的传递函数的幅频特性。结果表明：混合比振荡幅值随着振荡频率的增加呈现先增加，后减小的趋势。传递函数值随供应系统压力的升高而增大，随喷嘴压降的升高而减小。混合比振荡最大幅值所对应的频率不随供应系统压力和喷嘴压降变化而改变，说明此频率是由双组元喷嘴的特性决定的。
低旋流预混燃烧稳燃机理的大涡模拟
刘英杰, 刘潇, 周波
2020, 35(2): 298-304. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.009
摘要 PDF(3368KB) icon748 icon687
摘要:
采用大涡模拟(LES)方法对比了高低旋流的预混燃烧特性,并分析了低旋流的稳燃机理。结果表明:LES耦合部分搅拌反应燃烧模型(PaSR)可以准确的捕捉旋流预混燃烧的细小火焰结构和流场分布。不同旋流强度引发不同的流场特性,低旋流诱发较弱的回流区,而高旋流会诱发很强的回流区,这种强烈的流场特征往往会引起振动频率极低的进动涡核拟序结构(PVC)。通过涡脱落和燃烧温度分布的瞬时耦合关系,发现火焰剪切层引起的内外涡脱落频率差是低旋流火焰稳定的最主要因素,低旋流燃烧受涡旋结构的影响交替出现W和V型火焰。
考虑热流固多物理场耦合的圆周密封特性
闫玉涛, 魏荣, 胡广阳
2020, 35(2): 305-317. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.010
摘要 PDF(3921KB) icon502 icon690
摘要:
基于圆周密封工况分析,建立了流场、温度场及结构场的多物理场耦合三维求解模型。通过热流固耦合方法计算结果分别与理论模型和试验结果对比,验证了模型正确性。分析了圆周密封流场、温度场和结构场特性,及耦合场应力和变形分布规律,得到了关键工况参数对圆周密封性能作用规律。结果表明:流场压力沿z轴负向降低,压力降梯度与密封带宽度负相关;封严气体出现不规则涡旋运动,流速沿径向降低。温度场分布较均匀,最高温度位于搭接头处。结构场分析发现最大变形和最大应力位于凸搭接头处。热流固耦合下密封环最大变形量比流固耦合下增大161%,比热结构耦合下减小09%,温度场对变形显著影响。最大应力移至密封带与搭接头过渡处,比流固耦合下增大83%,比热结构耦合下增大23%,流场与温度场对密封环应力影响较大。温差变化对变形量起主要作用。压差变化对最大应力起主要作用,对泄漏量具有决定性作用。
耗氧型惰化反应器操作范围及性能分析
冯诗愚, 谢辉辉, 彭孝天
2020, 35(2): 318-324. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.011
摘要 PDF(2558KB) icon399 icon509
摘要:
通过CFD方法建立了一个耦合化学反应的多孔介质二维拟均相反应器模型,利用此模型研究了耗氧型惰化系统不同工况下反应器的操作范围及工作性能。以RP-3燃油为研究对象,采用Fluent 170软件的多孔介质单温度模型,通过UDS(user defined scalar)添加固相能量方程,通过源项形式添加化学反应热到固相能能量方程。研究了不同表观气速、RP-3摩尔分数时反应器在不飞温状况下的操作范围,引入耗氧速率作为反应器对惰化系统影响的评价指标,讨论了进口气体温度对反应器操作范围及性能的影响。结果显示:反应器有一定的操作范围,增加反应器进口气体温度会缩小可操作范围;随着进口表观气速增加耗氧速率趋于不变;RP-3摩尔分数、进口气体温度增加都会大幅提升耗氧速率。因此在未来设计耗氧型惰化反应器时应充分考虑这些因素。
基于航空煤油重整的SOFC-GT混合动力系统性能
胡焦英, 毛军逵, 贺振宗
2020, 35(2): 325-336. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.012
摘要 PDF(3230KB) icon547 icon508
摘要:
建立了基于航空煤油重整固体氧化物燃料电池-涡轮发动机（SOFC-GT）混合动力系统仿真模型,比较了两种回热方式的重整装置以及不同涡轮布置位置时的系统性能变化,优选出最佳的混合动力系统架构。进一步分析了压气机压比、燃料利用率、燃油流量以及空气流量等运行参数对SOFC-GT混合动力系统性能的影响。研究结果表明：设计点工况下,最佳混合动力系统的发电效率能达到45%,体现出良好的系统性能;当燃料利用率为082时混合动力系统的效率和功率最高;随着燃油流量(0051 1~0058 4 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率均增加;而随着压气机压比(25~33)或者空气流量(37~44 mol/s)的增加,混合动力系统的效率和功率都减小。
钝体稳定射流火焰的火焰面模型数值研究
韩宗英, 何昌升, 李井华
2020, 35(2): 337-347. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.013
摘要 PDF(4524KB) icon415 icon510
摘要:
基于稳态火焰面(SLFM)和交互式非稳态欧拉颗粒火焰面(EPFM)模型对Sydney大学CH4/H2钝体稳定湍流扩散火焰行了数值研究,采用修正的雷诺应力模型(RSM),同时对两种不同规模的甲烷详细化学反应动力学机理进行研究,比较了燃烧模型和反应机理对湍流火焰结构、活性自由基以及氮氧化物预测精度的影响,与实验数据对比结果表明:两种反应机理得到的温度场和主要组分分布基本相同；SLFM模型能对速度场和标量场的分布进行较为准确预测,采用EPFM模型修正后,部分区域OH预测结果更加靠近实验结果；采用EPFM模型对SLFM模型耦合GRI-Mech 211的计算结果修正后,NO量级降低近2倍,预测精度明显改善,与实验结果实现较好的符合,验证了化学反应动力学机理以及非稳态效应对氮氧化物预测精度的影响。
高温条件下RP-3航空煤油的结焦特性
刘天池, 范育新, 赵世龙
2020, 35(2): 348-357. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.014
摘要 PDF(2330KB) icon546 icon472
摘要:
为了解和掌握航空煤油在高温条件下的结焦性能,通过试验分别研究了RP-3航空煤油在静止状态下的结焦边界温度与结焦特性,以及不同燃油进口条件、壁温对结焦特性的影响。试验结果表明:燃油静止时其结焦边界温度介于437~450 K之间,且随着试验时间的增加,结焦速率呈下降趋势。增加流速,降低进口油温和壁温均可有效降低结焦的生成,且降低进口油温的影响最大。从时间尺度上来看,结焦在前期的累积较慢,但在形成一定量的结焦后结焦速率会明显提升,以400 K进口油温、800 K壁温、05 m/s燃油流速工况为例,8 h和12 h试验件的结焦量分别达到4 h试验件的约15倍和7倍。
结构、强度、振动
基于断口分析的钛合金轮内部缺陷损伤容限
吴英龙, 宣海军, 单晓明
2020, 35(2): 358-367. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.015
摘要 PDF(3591KB) icon443 icon475
摘要:
为进行某轮损伤容限设计,开展了裂纹扩展断口分析和仿真分析研究。由断口分析可知:疲劳源为一处内部自然缺陷;依据疲劳辉纹确定了裂纹扩展速率;在裂纹长度为2 mm附近,裂纹扩展速率明显增大,为第一、第二加载阶段转换区域;裂纹稳定扩展区裂纹长度与裂纹扩展速率呈双对数线性关系;应用列表梯度法和Paris公式法反推了第二加载阶段的疲劳寿命,与该阶段实际循环次数的最大误差是163%。裂纹稳定扩展阶段裂纹扩展仿真值与断口反推值吻合;非稳定扩展阶段仿真值与断口反推值的最大误差为-215%;基于以上研究,合理确定了某离心轮内部裂纹表面扩展停机检测周期。该类轮非稳定、失稳扩展阶段寿命占内部裂纹表面扩展阶段寿命的比例达248%~357%,因此准确计算具有重要意义。
航空发动机卡箍装配应力试验与装配参数控制方法
刘中华, 贾铎, 王鑫
2020, 35(2): 368-377. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.016
摘要 PDF(3888KB) icon504 icon464
摘要:
通过理论公式推导分析影响卡箍装配应力的主要参数,并通过试验方法对影响卡箍装配应力的因素进行了系统分析与研究,以3种规格、每种规格5个样本的卡箍作为试验对象,测试并统计分析螺栓拧紧力矩值、加载次数、装配方法对卡箍的应力影响规律。研究结果表明:靠近螺栓孔的卡箍表面为应力集中位置,卡箍随加载次数的增多应力呈降低趋势,但重复加载次数不宜过多,会导致卡箍局部较大的变形和磨损,增加2 mm垫片的方法对降低卡箍应力水平的效果最好,下降率可达468%;相比之下,限制卡箍位移后加载的方法应力下降率约为364%,而加载后校正的方法应力下降率约为286%。
高效湿法缠绕用环氧树脂配方及其复合材料性能
刘丽, 李勇, 还大军
2020, 35(2): 378-387. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.017
摘要 PDF(2514KB) icon568 icon576
摘要:
针对高质固体火箭发动机壳体高效的生产要求对不同官能度环氧树脂复配体系的工艺性进行研究,重点开展了多官能团环氧树脂复配体系配方设计及力学性能研究,分别采用DSC(差示扫描分析)、黏度测试进行固化特征温度、固化反应动力学及工艺适用期研究,并最终制备单向层合板及NOL(the Naval Ordnance Laboratory)环进行复合材料性能的测试分析。研究结果表明:三官能度复配的环氧树脂能满足高效湿法缠绕要求。当三官能度的TDE-85质量分数为25%时,综合性能达到最优,适用期仅为120 min,拉伸强度为973 MPa,弯曲强度为115 MPa,玻璃化转变温度高达466 K,较最低值分别提高363%、159%、258%。该树脂体系与纤维匹配性好,复合材料性能优良,NOL环拉伸强度与层间剪切强度分别为256 GPa、744 MPa,纤维强度利用率达766%,适用于固体火箭发动机湿法缠绕成形。
铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析
康永强, 陈勇
2020, 35(2): 388-396. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.018
摘要 PDF(3924KB) icon486 icon602
摘要:
采用有限元方法对复合材料风扇叶片榫头在拉伸及拉弯耦合工况下的层间应力特点进行研究。根据榫头结构特点,完成了榫头的铺层设计;基于FiberSIM-ACP软件平台,建立了复合材料风扇叶片榫头有限元分析流程,确定了一种满足层间应力分析精度要求的榫头有限元模型,通过与试验结果对比,证实了该有限元模型的有效性。计算结果表明:拉伸工况下层间正应力S33的高应力区位于叶身开始向叶根过渡的变厚度位置,该位置处靠近压力面的14层铺层承受拉伸应力;切应力S13及S23的高应力区在同一区域,切应力大小与铺层角度息息相关,0°铺层承受较大的切应力S13,±45°铺层同时承受较大的切应力S13和S23。增加弯曲载荷后S33的高应力区向榫头上端延伸,承受拉应力的铺层数量增加;切应力的高应力区靠近榫头承力面,高应力区铺层数量增加。
叶轮机械
基于多项式的曲率连续前缘造型方法及应用
施恒涛, 刘宝杰, 于贤君
2020, 35(2): 397-409. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.019
摘要 PDF(6336KB) icon956 icon555
摘要:
为了优化前缘(LE)形状以提高叶型气动性能,提出了一种基于多项式的曲率连续前缘造型方法。通过给定前缘和叶身交点处中弧线和厚度分布的各阶导数,保证形线曲率连续。前缘部分的长度和厚度分布的饱满性可根据设计需求指定。利用该方法对两个来流马赫数分别为075和060的亚声叶型进行前缘优化,数值计算表明：前缘优化后叶型的前缘吸力峰强度大幅降低,削弱了流动扩散造成的逆压梯度,不仅抑制了前缘分离泡的发展,而且避免附面层发生提前转捩,这两个因素使得前缘优化叶型在非设计工况的损失水平大幅降低,可用迎角范围比圆弧前缘叶型扩大了31°和38°。对某跨声速级的前缘亦采用该方法进行改进,转子和整级在近失速点的绝热效率提高了07和11个百分点,并提高了失速裕度。
脉动来流对涡轮非定常气动性能影响机理
吉冰, 李军, 王志多
2020, 35(2): 410-421. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.020
摘要 PDF(7908KB) icon463 icon475
摘要:
以周期性脉动来流模拟旋转爆震燃烧室出口流场,研究了来流脉动幅值和频率对GE-E3高压涡轮级非定常内流特性的影响机理。结果表明:来流脉动幅值的增加会加强涡轮内部流场的非定常性,放大流场参数的时空差异;随着脉动频率的增加,涡轮内部流场的脉动幅值逐渐减弱,不同动叶时均载荷分布趋于一致。在来流脉动频率为5 244 Hz的条件下,来流脉动系数逐步增加到04时,涡轮效率降低1399%;而在来流脉动系数为03的条件下,来流脉动频率逐步增加到10 488 Hz时,涡轮效率降低1557%。来流脉动幅值和频率的增加会加剧端壁二次流动和叶栅流动分离,并使得动叶进气攻角偏离设计状态,降低涡轮的工作效率。
尾缘S3面积比梯度对涡轮后机匣的影响
李姝蕾, 金东海, 桂幸民
2020, 35(2): 422-431. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.021
摘要 PDF(5006KB) icon397 icon458
摘要:
针对整流叶栅与支板融合设计中难以采用三维叶片造型对二次流进行控制的情况,开展对涡轮后机匣内部整流叶栅尾缘S3面积比梯度的研究。以某15级涡轮为例,通过数值模拟的方法,对比三种设计的内部流场和气动性能,验证了降低尾缘S3面积比梯度控制角区二次流的方法。结果显示:尾缘S3面积比梯度从001降低到-005时,整流叶栅总压恢复系数从0979升高到0991,5%展高处S参数从0011降低到0005,吸力面和轮毂端壁处的回流区消失,角区分离得到有效控制;尾缘S3面积比梯度从-005降低到-010时,吸力面角区流动速度增加,5%展高处S参数不再变化、堵塞程度降低、轴向密流比(AVDR)升高、总压恢复系数升高。
动力传输
基于灰色估计和多项式变异理论的附件传动系统在随机载荷作用下的疲劳寿命预测
梁松, 闫明, 陈卓
2020, 35(2): 432-439. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.022
摘要 PDF(1439KB) icon409 icon450
摘要:
针对航空发动机附件传动系统在随机疲劳载荷作用下的寿命预测问题，提出了综合灰色估计和多项式变异理论的疲劳寿命预测方法。运用灰色模型和多项式变异理论，得到二维载荷谱及等幅疲劳中值曲面。以平行轴-齿轮传动结构为例，基于Miner疲劳累积损伤理论，危险点的疲劳中值寿命计算值约为135×107次。验证试验中采用等效应力状态的40Cr标准试件，工艺流程依据GB3077-82可满足航空传动轴强度要求。定时截尾寿命试验的样本容量是45，试验样本寿命的均值约为142×107次，结构疲劳中值寿命的试验值略高于计算值，证明该计算方法是可靠并偏于保守的，为提升附件传动系统疲劳寿命提供理论参考和数据基础。
基于中介轴承润滑效率的流道结构参数反向预测
朱冬磊, 陈国定, 李炎军
2020, 35(2): 440-448. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2020.02.023
摘要 PDF(2180KB) icon363 icon453
摘要:
为了满足航空发动机中介轴承润滑系统设计需求,即在给出特定轴承润滑效率的前提下,获得与之匹配的合理的轴承润滑流道结构参数,提出了考虑各结构参数取值约束条件的轴承润滑效率——流道结构参数反向预测分析方法。根据轴承润滑效率神经网络模型,构造反映结构参数与润滑效率拟合关系的润滑效率函数;以润滑效率函数值与给定润滑效率误差最小为优化目标,通过考虑各结构参数取值范围的优化分析,获得满足给定润滑效率(误差最小)的流道结构参数。相较于目前已有分析方法,所提出的反向预测分析方法预测精度提高了439%,平均计算时长缩短了175 min,且能同时实现多个参数的预测,为中介轴承润滑系统设计提供了一种思路。

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