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多孔介质有效导热系数研究进展.pdf

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 多孔介质有效导热系数研究进展# 马超,刘艳峰** (西安建筑科技大学环境与市政工程学院,西安 710055) 5 摘要:多孔介质传热机理较为复杂,利用有效导热系数表征多孔介质传热性能是最为有效的 方法。本文主要从传统复合传热和基于分形理论的多孔介质有效导热系数的分析解模型、数 值模拟以及实验分析等方面研究进展进行了综述,总结了多孔介质有效导热系数研究中取得 的主要成果以及存在的问题,并展望了多孔介质有效导热系数研究的发展趋势。 关键词:多孔介质;有效导热系数;复合传热;分形 中图分类号:TK124 10 Review of Effective Thermal Conductivity of Porous Media MA Chao, LIU Yanfeng 15 (School of Environment and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055) 20 Abstract: Effective thermal conductivity is the most effective method in describing the heat transfer performance of porous media. In this paper, an overview of the advances made in analysis model, numerical simulation and experimental analysis of the traditional combined heat transfer and the effective thermal conductivity of porous media based on fractal theory was presented. Furthermore, the main accomplishment and the existed problems in this research field were summarized. The development trend was prospected. Key words: porous media; effective thermal conductivity; combined heat transfer; fractal 25 0 引言 多孔介质又称多孔材料,是由固体骨架或固体颗粒、液体和气体,两相或多相介质的组 合体。如,土壤、木材、岩石、建筑材料等。多孔介质传热现象普遍存在,多孔介质的传热 过程十分复杂,且影响因素较多。一般情况,多孔介质内部传热主要有以下几部分:1)固 体骨架之间的导热过程;2)多孔孔隙中流体的导热和对流换热过程;3)固体骨架与流体之 30 间的对流换热过程;4)固体骨架之间、固体骨架与孔隙中气体之间的辐射过程。在对多孔 介质传热机理进行分析的基础上,大多用宏观方法加以归纳,将实际多孔材料中各种传热方 式折合成一个相当的导热问题进而得出多孔介质有效导热系数法。该方法已成为研究多孔介 质传热过程最常用的方法[1]。 当多孔材料孔隙中的流体处于静止态或流动甚微,并有 Re<22(Re 为雷诺数)即相当 35 于颗粒平均直径不超过 4-6mm 或孔隙当量直径小于 5mm 的情形时,可以不考虑对流换热对 有效导热系数的影响作用[2-3];当多孔材料的温度不高于 573K 时,可以不考虑辐射的影响[4]。 各种传热方式对多孔材料传热贡献的不同,因此,对于不同条件下的传热需要进一步权衡。 多孔材料有效导热系数的研究主要有实验分析、分析解模型和数值模拟等方法。实验分 析主要目的主要有两方面:一是通过实验方法测试特定工况,如具体温度、干材料等条件下 40 多孔材料的导热系数数值,以便掌握多孔材料的热工特性;二是通过实验测试不同孔隙率、 孔隙结构、固-液-气态不同比例等条件导热系数,用以验证多孔材料分析解模型和数值求解 基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金博导类资助课题(20116120110006) 作者简介:马超(1983-),男,博士研究生,主要研究方向:建筑材料热湿物性和建筑节能 通信联系人:刘艳峰(1971-),男,教授,主要研究方向:太阳能热利用和建筑节能. E-mail: lyfxjd@163.com - 1 -
中国科技论文在线 的准确性。 http://www.paper.edu.cn 对于多孔介质有效导热系数的理论研究,主要分两种方法:传统复合传热方法和基于分 形理论的计算方法。传统复合传热方法是相对于基于分形理论的计算方法来说的,主要是把 45 多孔介质中空隙简化为较规则形状,结合空隙中液体和气体所占比例,使用热电类比方法或 综合考虑多孔介质内部传热机理计算得出其有效导热系数。多孔介质内部孔隙结构复杂,其 研究结果及研究方法尽管具有实用或参考价值,但均有局限性,其只能给出近似描述,精确 度不高。分形理论可用于描述复杂而形状不规则的对象,基于分形理论的计算方法是利用分 形理论描述多孔介质内部结构。分形理论构造的模型更符合多孔介质真实的结构特性,从而 50 可更深刻地反应多孔介质传热过程。对于符合分形结构的多孔介质,把分形理论中相关参数 引入传统复合传热方法中(如分形维数)或把多孔介质近似成某种特殊分形结构,使用热电 类比或数值模拟方法得出多孔介质有效导热系数[5-8]。 多孔介质热质传递过程中,不仅存在固、液、气之间的传热,湿分的迁移及相变对于多 孔介质传热在一定情况下有着重要的影响作用,且多孔介质传热与传质相互耦合作用。研究 55 多孔介质有效导热系数问题时在一定条件下需要考虑传质对有效导热系数影响。 传统多孔介质传热传质理论中,大多是直接或间接地把多孔介质看作是一种在大尺度上 均匀分布的虚拟连续介质,采用平均物性和空隙的平均几何分布来进行传热传质过程的研 究,描述多孔介质中的热、质传递过程中无法揭示局部和整体之间的本质联系。采用分形理 论可以描述多孔介质内部结构和迁移参数,从而使多孔介质的输运参数与几何结构之间建立 起有机的联系[9-10]。 60 1 传统复合传热方法 对于多孔介质有效导热系数的理论研究,简单有效的方法是运用复合传热方法。其建立 在对多相体系实际内部的骨架结构、孔隙率、微粒大小以及相态相互之间不同的接触方式, 以及考虑导热,对流、辐射传热对多孔介质系统内传热影响,对多孔介质体系建立物理及数 65 学模型,大多情况下多相态及其之间导热对多孔介质内部传热影响最大,众多学者近似认为 多孔介质内部传热为纯导热。 多孔介质中把固体骨架平面层和流体层互相交错组成的结构作为最简单的两相系统来 分析,而各层位置可与热流方向相垂直或平行[11]。在第一种情况下,多孔介质有效导热系 数将是最小值: 70 (1) 在第二种情况下,多孔介质有效导热系数将是最大值: (2) 式中, 为固体的导热系数, 为流体导热系数, 为孔隙率。 而对于实际的多孔介质的导热系数主要在前述的两者值之间。Lichtencker 利用两相导热 75 系数的加权几何平均得出经验公式来描述多孔介质有效导热系数: 尽管所设想的模型方法不是很明晰,也没有考虑多孔材料传热的诸多因素,但之后仍被 (3) 众多研究者使用。 - 2 - (1)fsesf(1)efssf1efs
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Maxwell[12]通过求解电场能量的 Laplace 方程得到了基体球形粒子复合材料的导热系数 计算公式,Maxwell 模型假定作为分散相的物质(不论是颗粒或气泡)与邻近的物质是不相 80 互接触的。该模型表征没有相互作用的球形粒子,无规则分散球形粒子在基体中所形成的复 合材料的有效导热系数模型: (4) 当分散相粒子的含量较低时,该方程可以准确预测多孔材料有效导热系数,试验数据与 方程的理论曲线较一致;但分散相的含量较高时,即孔隙率较小时,试验数据与理论曲线有 相当大的差异。因为粒子含量较高时,粒子之间是相互作用的。此外,由于方程是一个考虑 条件较少的模型,粒子含量较高或连续相和分散相的导热系数的差别较大时,分散相粒子的 形状和大小对复合材料的导热系数将产生较大的影响。此时,方程就不再适用了。 在有效导热系数近似理论中,Maxwell-Garnet 模型和 Bruggeman 模型运用也较为广泛。 Maxwell-Garnet 模型假设颗粒为球形,适用于低浓度颗粒随机分布于液体介质的情形,颗粒 间彼此独立、且无相互作用[13-14]。给出两组分悬浮液有效导热系数模型: Bruggeman 运用平均场理论分析了随机分布的颗粒与液体间相互作用,得到: (5) (6) (7) 85 90 95 Bruggeman 模型对颗粒浓度没有限制,对低浓度颗粒悬浮液,其结果与 Maxwell-Garnet 模型相近。但当描述对象是高浓度的聚结性颗粒或微团时,Maxwell-Garnet 模型已不能准确 预测实验结果,而运用 Bruggeman 模型则能与实验数据较好吻合。 100 Hashin[15]采用球形结构模型,运用变分原理和热电类比方法推导得出均匀、各向同性两 相多孔介质有效导热系数的上、下限: 上限: 下限: (8) 105 (9) Russell[16]根据热电类比,假设具有相同尺寸的立方孔隙结构分散在固相材料中,采用串 联平行网络得到了其有效导热系数: Elio[17]在改进 Maxwell 方程的基础上,得到适用于颗粒多孔材料有效导热系数模型: - 3 - (10) sfsffe)3()23(2(1)(2)3(1)(2)3sfsefsff(1)022fesesefe2222(31)3(1)1(31)3(1)1229(1)esfsfsf3()3(1)()sfsessfs3(1)()3(1)()sfeffsf)1)(()1)((32323232fsfsse
中国科技论文在线 110 http://www.paper.edu.cn (11) 式中, ; 。 该研究孔隙率范围为 0.15-0.85,因此该模型适合孔隙率在此范围内多孔材料。 Brown[18]结合串并联模型以及分析各相的几何统计参数得到有效导热系数模型: 115 Zehner[19]假设热流在球形颗粒模型内是一维传递的,且在热流方向上颗粒之间是点接触 的,推导得出有效导热系数模型: (12) 式中, ; Brailsford[20]根据热电类比原理提出了三相多孔介质有效导热系数模型: 120 (13) (14) 式中, , 。 Abu-Hamdeh[21]通过实验方法中获得了土壤有效导热系数,并给出了表示为土壤密度和 含水量的经验拟合关系式,经验关系式包含了多个没有物理意义的经验常数,且模型中没有 包含与孔隙率有关参数。 125 Gori[22]考虑土壤的特性,假设把单元看成是中心带有立方固体颗粒的立方体。通过假设 一维热流的热传导方程来估计热传导。所得结果表示为四个部分,每一个部分都含有适合试 验数据的不同常数。 Nozad[23]采用瞬态传热的方法来研究三相多孔介质有效导热系数,采用的体积可变的计 算方法,发现三相系统有效导热系数的理论预测值比实验值低 33%。 130 Hu[24]基于毛细管压力与饱和度之间的联系,建立了非固结多孔介质有效导热系数模型, 模型含有两个没有物理意义的拟合常数,因此,该模型为半经验分析解模型。 王补宣[25]通过实测发现含湿建筑材料当量导热系数随含湿量的增加而单调递升,给出 了当量导热系数的半经验公式,并得出考虑湿组分迁移对建筑材料导热系数的影响。 Singh[26]利用热阻网格分布并且考虑了可能接触的连续分布相,提出了潮湿土壤的有效 135 导热系数的模型。模型包含了没有物理意义的经验常数。 胡雪蛟[27]运用有限元方法分析了二维稳态条件下非饱和含湿多孔介质特征单元的温度 和热流密度,得出随着液相饱和度的增加,多孔介质的导热系数先迅速增加,然后逐渐趋于 平稳。于明志[28-29]通过实验方法得出非饱和含湿砂有效导热系数随含湿率的增加而增大。低 体积含湿率情况下,有效导热系数随含湿率的增加迅速增大,高体积含湿率情况下,增加幅 140 度相对减缓。可见两者结论基本一致,然而对不同含湿有效导热系数的变化现象的机理缺乏 深入分析。 - 4 - 1)5.4exp(05.0)1.02(21323fe212fsfsfs])1([3)21)(1()1(2sfsfssfeABBBABABBAABfe11221ln)1()1(1)1(2)1(125.05.0sfA910125.1B)2/(3)12/()1(3)1()2/(3)12/()1(3)1(lglglgsgwsgsglsgsgwsgsglsgsggeeSSSSgssggllg
中国科技论文在线 2 基于分形理论方法 http://www.paper.edu.cn 分形(fractal)是由美国哈佛大学教授 Mandelbrot 于 1975 年首次提出来的[30]。其原意是“不 规则的、分数的、支离破碎的”物体。1977 年,他出版了著作[31],标志着分形理论的正式 诞生。分形几何是以非规则几何形状为研究对象的几何学。分形几何图形最基本的特征就是 145 自相似性和它的标度不变形。可以用分形几何来描述其几何特性的物体或介质就称为是分形 物体或分形介质。 分形所涉及的领域极为广泛,多孔介质孔隙结构特征的定量评价在众多领域,如石油、 材料科学、表面科学、地质和生命科学等都有着广泛的应用。 150 对于任何一个有确定维数的几何体,若用与它相同维数的“尺”去量度,则可以得到确 定的数值 M;若用低于它维数的尺去量它,结果为无穷大;若用高于它维数的“尺”去量 它,结果为 0。分形物体的量度 M(L)与测量的尺度 L 服从如下的标度关系[32-33]: (15) 式中, 为分形维数。M (L)可以是一个物体的质量、体积、面积或曲线的长度,L 为尺度。 155 分形几何结构 Sierpinski carpet,Sierpinski gasket 和 Koch curve 是精确自相似分形结 构,这些物体在无限的尺度范围内是自相似的。在自然界中很难找到精确自相似的分形物体。 但自然界里许多物体具有统计自相似的性质,如一些天然的和人工制造的多孔材料,其孔隙 的尺寸或颗粒的大小不是精确自相似的,而是统计自相似的。因此,判断多孔介质是否符合 分形几何结构是运用分型理论的前提。 160 分形物体的一个独特的性质就是分形物体(如孔隙,地球上的岛屿等)的累积数 N(如 孔隙数目或颗粒数目)与孔隙大小分布服从如下的标度关系[34-35]: (16) 式中, 和 分别为孔隙尺寸和最大孔隙尺寸, 为测量尺度。 Yu[36]得出 为孔隙分布的概率密度函数,它应满足归一化条件: 165 (17) 上式成立条件是 上式可以看作是多孔介质能否使用分形理论和方法处理的一个判据。该多孔介质就不能 用分形理论和方法来加以研究。在实际中,通常多孔介质的 ,可认为近似满 足,多孔介质可以用分形理论和方法来处理。此判定依据为众多学者引用。当然,多孔介质 170 能否用分形理论和方法处理,还需要考察多孔介质的孔隙大小分布是否存在某个尺度范围, 并且在该尺度范围内是否存在标度不变性等。 郁伯铭[37-38]对多孔介质输运性质的实验测量、解析分析、数值模拟计算以及基于分形理 论和方法研究进展进行了分析,指出采用分形理论和方法在解决多孔介质输运性质的发挥的 作用,以及有可能解决相关问题的若干方向。多孔材料颗粒或孔隙的大小分布在一定尺度范 175 围内具有分形特征,具有统计的自相似性。对多孔介质建立分形导热模型将会更接近实际导 热情况。 - 5 - ()DMLLDmaxDlNLlllmaxlL)1(min)(DlDllf1)()(maxmindllfdllfll0maxminDll2maxmin10ll
中国科技论文在线 2.1 数值模拟方法 http://www.paper.edu.cn 随着分形理论在众多领域的应用。Adler[39-41]对于分形物体上的热传导问题采用几何逾 渗模型进行数值模拟研究。但其结果并未与重要参数分形维数联系起来,也未进行实验验证。 Adler 和 Thovert[42-43]采用了数值计算方法,对分形多孔介质和 Sierpinski 地毯的导热系 180 数进行了数值计算,给出了导热系数与固体率关系: (18) 式中, 为固体率,m 为经验常数,取决于不同的分形几何。不足之处是导热系数没有 与多孔介质的微观结构联系起来。因此,这种方法有待于进一步改进。 185 Roy [44]采用反常扩散理论,结合分形体的几何标度特性,推导得出对称分形体的导热系 数模型: (19) 式中,d 是谱维数,可由随机行走的方法估算出来的。其有效导热系数与含固率与 Adler, Thovert 得出的规律是一致的。 190 李小川[45]通过数值模拟计算得出 Adler 公式对于孔隙分形结构具有一定的准确性,但是 却不适用于基质分形结构。王唯威[46]通过数值模拟方法得到有效导热系数与基质导热系数、 孔隙流体导热系数分别成幂函数关系,有效导热系数与孔隙率大致成指数函数关系。研究结 果进一步扩展 Adler,Thovert 研究成果。 张东辉[47]构造了随机 Sierpinski 地毯多孔介质模型,有限容积法分析了分形多孔介质中 的热传导过程,得出有效导热系数与固体率大多呈指数关系。同时发现:分形结构中的温度 195 分布和热流分布存在自相似性,与结构紧密关联。 张海林[1]把散体中导热与多孔介质中流体和随机阻抗网络中电流的传导相比拟,提出基 于分形与重整化群理论的散体有效导热系数热逾渗模型,模型预测结果与实验结果吻合良 好。李小川[48-49]根据分形统计规律得到粒子方向随机行走分形谱维数,利用粒子在基质中的 200 方向随机行走过程来模拟热流传输过程,计算得出多孔介质有效导热系数与基质含量近似呈 指数分布关系,其结论与前人研究结果一致。多孔介质有效导热系数计算值中逾渗模型和随 机行走模型均借助多孔介质的流体流动特性处理传热问题,扩展了有效导热系数分析的思 路。 2.2 分析解方法 205 Tao 和 Pitchumani[50-51]对多孔纤维复合材料导热系数求解中考虑横向和纵向热量传递, 把分形维数引入有效导热系数中。但由于该模型分形维度数需要用 Monte Carlo 法来确定, 使分形维数较难确定。Li[52]利用扫描电子显微镜对干燥木材结构进行分析,给出了木材两相 多孔结构的物理模型及分形维数,并利用串并联复合传热方法给出了木材两相有效导热系数 模型,且该导热系数模型计算结果与实验结果较为吻合。 210 陈永平和施明恒[53-54]假定土壤颗粒呈周期性分布、土壤颗粒呈正方体,根据复合传热理 论。推导得到了土壤有效导热系数的分形模型: (20) 式中, 为气液混合相导热系数, ,S 为土壤颗粒平均面积,X 为面积 - 6 - me1[(2/(3)]dDe)313131231)1()1(gsgsgeg23/XS
中国科技论文在线 度量尺度, ,c 是拟合常数。 http://www.paper.edu.cn 215 (21) 该分形模型把导热系数表达为介质的各相导热系数、尺度、颗粒面积以及分形维数的函 数关系。为分形理论用于有效导热系数的计算提供了较好的借鉴作用。但该模型的不足之处 是:土壤中气体和液体的导热系数没有区分开,土壤的分形维数使用的是其截面两维空间, 没有使用三维空间的分形维数,该理论模型的预测值没有与实验测量结果作对比,因而该模 220 型的有效性尚需进一步验证。 Yu[55]根据颗粒状多孔介质的微结构,把多孔介质看成为由非接触的颗粒和连在一起的弯 曲的颗粒链组成。而颗粒链假设服从分形分布规律,并建立了双弥散多孔介质等效导热系数 的分形模型。 多孔介质有效导热系数: 225 (22) 颗粒团的有效导热系数: (23) 式中, 为孔隙弯曲度维数, 为颗粒团孔隙率, 为颗粒链直线长度, 为单元 截面积, 表示非接触, 为非接触单元截面积, 表示几何长度比, 表示接触长度比, 230 为固体和流体导热系数之比。方程中没有经验常数,表明双弥散多孔介质的等效导热系 数是分形维度数、介质孔隙率、结构参数、固-液导热系数比等参数的函数。理论预测与实 验测量结果和已有分析解的结果较吻合。 Kou[56-57]基于多孔介质热电类比和统计自相似性方法给出了,饱和及非饱和多孔介质有 效导热系数无量纲计算式,且式中无经验常数。并得出当 , 时,无量 235 纲有效导热系数随着饱和度的增大,面积分形维数、曲折度分形维数和孔隙率减小而增大。 当 , 时,结论相反。 Ma[58]基于 Sierpinski 地毯,利用热电类比原理建立分形维数为 1.89 的多孔介质有效导 热系数模型。但是该模型仅适用于孔隙率在 0.3-0.5 且分形维数为 1.89 的多孔介质。在此基 础上,冯勇进[59]建立了 n 阶 Sierpinski 地毯建立了两相多孔介质有效导热模型。通过改变颗 粒尺寸使孔隙率范围在 0.14-0.60。同时将两相多孔介质导热系数的一般模型推广到三相多 240 孔介质有效导热系数。多孔介质有效导热系数可以表示为孔隙率、面积比、微结构尺寸、组 - 7 - DcXSDsgeL1)1(11111111111112,2,10max2max,acecaceaTDnceneDDDLlAlAAAA111111111111121211110max2max,acaaTDncccnceDDDLlAlAAAATDc0LAnnAac1/gs1/gf1/gs1/gf
中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 成成分导热系数之比和饱和度有关的函数。在孔隙率 0.14-0.60 的范围内,模型的预测值与 实验数据吻合较好。Li[60]在 Sierpinski 地毯结构上增加串并联结构用于计算描述多孔水合物 物理结构,并给出多阶有效导热系数模型。Giorgio[61-62]对 Sierpinski 地毯分形结构进行重新 构建,给出了多种不同分形维数的分形结构模型以及相应的多孔介质有效导热系数模型。以 245 上研究把典型 Sierpinski 地毯分形结构用于计算多孔介质有效导热系数,并扩展了 Sierpinski 地毯在多孔介质中的应用范围。 目前分形理论用于多孔介质传热研究的思路之一是将多孔介质空隙简化为规则形状,同 时得出多孔介质的二维或三维空间的分形维数,将分形维数引入复合传热有效系数导热数学 250 模型中,从而计算得出有效导热系数计算式;使传统复合传热理论和分形理论结合在一起, 使多孔介质有效导热系数计算有了进一步进展。导热分形的另一重要思路是利用较为理想或 改进分形模型模拟研究对象的内部结构,利用数值方法计算分形结构的传热过程,进而计算 得到有效导热系数或者根据热电类比原理推推导出有效导热系数计算式。 3 结论和展望 255 长期以来,国内外学者对于多孔介质有效导热系数的研究,在分析解模型、数值模拟计 算以及实验研究等方面取得了丰硕的成果,同时也存在一定问题。 传统复合传热对于多孔介质有效导热系数分析多是将多孔介质的颗粒或空隙假设较为 规则形状,然后通过热电类比得到有效导热系数的估算式,这种方法在一定的范围内有效, 对于多孔介质有效导热系数计算精度要求不高情况下,该方法简单且便于计算。由于多孔介 260 质系统形态及其几何尺寸在热量传输过程起了重要作用,这些近似结构模型与实际的多孔介 质内部结构相差较大,对实际多孔介质的微观几何结构难以做到准确描述。因此,使得多孔 材料有效导热系数应用条件苛刻,适用范围狭窄,且与实际情况存在较大的差异。 多孔介质中的热量传递与其内部的几何结构有密切的关系,利用分形理论可有效的描述 多孔介质内部复杂结构特征。相对传统方法把多孔介质内部几何结构理想化为简单的模型, 265 分形理论对表征多孔介质内部结构特征及孔隙分布等更接近实际情况。因此,分形理论成为 研究多孔介质传热的有效方法。然而多孔材料种类繁多,内部结构各异,利用较为理想或改 进的分形模型模拟实际材料的内部结构会存在一定偏差。因此,根据多孔介质的孔隙率、孔 径分布特征及分形维数等参数,构建多孔介质的分形几何结构,有利于准确计算多孔介质有 效导热系数。 270 多孔介质孔隙结构尺度分布差异较大,不同尺度下多孔介质传热传质机理存在一定差 异,如微纳米尺度和宏观尺度。当前对于多孔介质有效导热系数的理论分析大多不考虑微尺 度传热的影响。分形理论本身存在尺度差异,因此,把分形理论与结构尺度联系在一起处理 多孔介质传热问题,也是多孔介质有效导热系数研究的趋势。 当前多孔介质有效导热系数理论上研究多是基于多相态之间纯导热和热电类比方法计 275 算而得,由于多孔介质传热机理的复杂性,多孔介质中对流换热和辐射在一定条件下才可以 忽略,这也使得有效导热系数的使用具有更大程度上的局限性。 多孔介质中多相态之间导热、对流换热、辐射、湿分迁移及相变等都影响着多孔介质的 传热。复合传热方法重点关注多相态的导热、对流换热、辐射,把各种传热方式折合成一个 相当的导热问题,而忽略多孔介质传质对传热影响。对多孔介质有效导热系数的应用应以多 280 孔介质传热传质理论为基础,针对不同情况,提出适宜的有效导热系数计算方法。 - 8 -
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