朱 凱,程旭東,張少剛,姚勇征,張瑞芳,楊 暉
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,合肥,230026)
阻塞條件下地鐵隧道坡度對煙氣逆流長度影響研究
朱 凱,程旭東,張少剛,姚勇征,張瑞芳,楊 暉*
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室,合肥,230026)
在隧道縱向通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中,煙氣逆流長度是至關(guān)重要的參數(shù),傳統(tǒng)的理論預(yù)測模型多適用于公路隧道,對阻塞條件下有坡度的地鐵隧道煙氣逆流長度的研究較少。通過理論分析、縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬,推導(dǎo)了適用于阻塞條件下有坡度的地鐵隧道的無量綱煙氣逆流長度模型,得到了煙氣逆流長度隨坡度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,基于FDS模擬的水平地鐵隧道煙氣逆流長度與實驗結(jié)果變化規(guī)律基本一致,該FDS模型可以研究不同坡度工況,且逆流長度隨著坡度的增加呈增加趨勢。
地鐵隧道;逆流長度;坡度;阻塞條件
隨著我國現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷加快,人民生活水平得到提高,各大城市開始面臨日益加重的交通擁堵問題,為緩解此類問題,地鐵交通系統(tǒng)作為一種有效手段應(yīng)運(yùn)而生,在很多城市得到迅速發(fā)展[1]。但隨之而來的火災(zāi)風(fēng)險也不容小視,2003年2月18日,韓國大邱中央路站,一名患有精神病的乘客點燃了隨身攜帶的液體燃料瓶,導(dǎo)致火災(zāi)悲劇的發(fā)生,火災(zāi)造成192人死亡,147人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失約5億元人民幣[2]。由于地鐵隧道為狹長封閉空間,發(fā)生火災(zāi)后空氣供給嚴(yán)重不足,燃燒將會產(chǎn)生大量高溫有毒有害氣體,據(jù)有關(guān)資料顯示,火災(zāi)中因煙氣死亡的比例達(dá)到78.9%,因此研究地鐵隧道煙氣的運(yùn)動規(guī)律十分重要[3]。
煙氣逆流長度是隧道火災(zāi)中表征煙氣運(yùn)動的重要參數(shù),國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量理論分析、實驗和數(shù)值模擬研究。
Thomas[4]首先提出用縱向通風(fēng)來控制隧道煙氣蔓延的方法,基于理論分析,提出在縱向通風(fēng)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣逆流長度預(yù)測模型。Hu等[5]進(jìn)行了全尺寸實驗及FDS數(shù)值模擬,對推導(dǎo)的煙氣逆流長度的半經(jīng)驗?zāi)P瓦M(jìn)行驗證,通過結(jié)果對比表明該公式可以用于對公路隧道煙氣逆流長度的預(yù)測。Li等[6]采用無量綱分析和縮尺寸實驗相結(jié)合的方法,發(fā)現(xiàn)無量綱煙氣逆流長度隨無量綱火源功率的三分之一次方變化,得到相關(guān)關(guān)系式。唐等[7]改變障礙物和火源之間的相對位置,研究其對煙氣逆流長度的影響。Weng等[8]基于CFD數(shù)值模擬和縮尺寸實驗,得到了用于預(yù)測地鐵隧道內(nèi)煙氣逆流長度的經(jīng)驗公式。Tang等[9]研究了在縱向通風(fēng)和頂棚排煙共同作用下煙氣逆流長度的變化規(guī)律,通過小尺寸實驗得到預(yù)測逆流長度的無量綱參數(shù)。
坡度對煙氣的擴(kuò)散也有著很大的影響,坡度產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)將會改變火災(zāi)煙氣的運(yùn)動規(guī)律,因此Atkinson和Wu[10]選擇傾角為0°到10°的隧道進(jìn)行研究,通過和前人實驗進(jìn)行對比,得出臨界風(fēng)速和隧道坡度的關(guān)系;Yi等[11]使用1∶10的縮小隧道模型,研究-3%, -1.8%, -1%, 0%, 1%, 1.8% 和 3%幾種工況下臨界風(fēng)速的變化情況,通過分析給出臨界風(fēng)速模型;Zhong等[12]采用全尺寸研究方法,對自然通風(fēng)條件下傾斜彎曲隧道的煙氣運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究,根據(jù)實測數(shù)據(jù),對各火災(zāi)階段隧道煙氣溫度分布、逆流長度進(jìn)行分析。Chow等[13]采用縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對傾角為0°、3°、6°和9°的隧道臨界風(fēng)速進(jìn)行研究,基于實驗和數(shù)值模擬提出傾斜隧道臨界風(fēng)速的預(yù)測公式。
目前,前人主要對公路隧道煙氣逆流長度進(jìn)行了研究,地鐵隧道相比于公路隧道更為狹小,空氣卷吸效應(yīng)和壁面熱反饋都將增強(qiáng),這些都將影響地鐵隧道中的煙氣逆流長度。同時,當(dāng)?shù)罔F隧道內(nèi)存在障礙物時,主要為地鐵列車,其阻塞比一般在0.5左右,大于一般公路隧道阻塞比,阻塞效應(yīng)比公路隧道明顯。而且大多數(shù)研究只考慮坡度對臨界風(fēng)速的影響,坡度對煙氣逆流長度存在何種影響研究不多。綜上所述,考慮地鐵隧道阻塞效應(yīng)和坡度效應(yīng)綜合影響下,研究火災(zāi)中煙氣的逆流長度變化特征具有重要的意義。因此本文采用無量綱分析、縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬,以探究阻塞情況下,坡度地鐵隧道內(nèi)煙氣的逆流長度變化規(guī)律。
前人研究表明[6, 14],煙氣逆流長度和以下參數(shù)相關(guān):火源功率、縱向通風(fēng)風(fēng)速、隧道高度、空氣密度、環(huán)境溫度、空氣定壓比熱和重力加速度。相關(guān)物理量、符號及量綱如表1所示,煙氣逆流長度可以用式(1)表示:
f(L,H,Q,V,Ta,ρa(bǔ),g,Cp)=0
(1)
選取L,T,M,Θ作為基本量綱,其余作為導(dǎo)出量綱,則其他四個參數(shù)可以用以下四個方程表達(dá):
(2)
通過計算,可以得到各公式中待定系數(shù)的值,結(jié)果如式(3):
α1=-1,β1=γ1=ε1=0
α2=-2,β2=-3,γ2=-1,ε2=0
α3=0,β3=-2,γ3=0,ε3=1
α4=1,β4=-2,γ4=ε4=0
(3)
因此上述四個方程可以表達(dá)為:
(4)
根據(jù)計算,無量綱逆流長度表達(dá)式為:
(5)
Wu等[15]采用五種高度相同但隧道橫截面形狀不同的縮尺寸隧道進(jìn)行實驗,將數(shù)據(jù)與Oka和Atkinson的公式對比,發(fā)現(xiàn)公式并不能和實驗數(shù)據(jù)完全吻合,因此提出將隧道特征水力直徑作為無量綱火源功率的特征長度[16],特征水力直徑的計算方式如式(6)所示:
(6)
(7)
將式(7)代入式(6),特征水力直徑可表示為:
(8)
基于以上分析,煙氣逆流長度可以表示為:
(9)
圖1 坡度隧道示意圖Fig.1 Schematic of inclined model subway tunnel
編號物理量符號量綱1逆流長度LL2隧道高度HL3火源功率QML2T-34縱向通風(fēng)風(fēng)速VLT-15環(huán)境溫度TaΘ6空氣密度ρa(bǔ)ML-37重力加速度gLT-28空氣定壓比熱CpLT-2
本文采用1∶10縮尺寸模型試驗臺。試驗臺全長14 m,寬0.4 m,高0.5 m。隧道模型全部采用不燃材料,隧道頂部、底部采用防火板,側(cè)壁為方便觀察,一側(cè)采用耐火玻璃,一側(cè)采用防火板,如圖2(a)所示。隧道一側(cè)為進(jìn)口,安裝有軸流風(fēng)機(jī),在風(fēng)機(jī)入口處設(shè)置格柵,為隧道提供均勻穩(wěn)定的縱向通風(fēng),如圖2(b)所示。
圖2 縮尺寸隧道實驗臺Fig.2 The photos of the reduced- scale subway tunnel
隧道另一側(cè)為出口,直通室外。隧道頂棚下方1 cm處設(shè)置有測量溫度的K型熱電偶,共布置56個熱電偶,熱電偶間隔0.25 m,熱電偶布置位置如圖3所示。隧道內(nèi)放置有列車模型,列車模型長1 m,寬0.3 m,高0.38 m,采用不燃材料,列車模型沿隧道中軸線放置。本實驗中采用穩(wěn)定的丙烷氣作為燃料,火源由氣罐、氣壓計、轉(zhuǎn)子流量計、多孔燃燒器組成,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計來改變不同火源功率。如圖4所示,實驗中采用的為0.15 m×0.15 m方形多孔燃燒器,內(nèi)置直徑約為1 mm的碎石,確保出氣均勻,燃燒過程穩(wěn)定,燃燒器表面緊貼隧道底部,和列車模型之間距離為0 m。
圖3 隧道斷面示意圖Fig.3 The sectional sketch of the reduced- scale subway tunnel
在隧道模型內(nèi)放置列車模型,處于水平狀態(tài),模擬有阻塞工況,進(jìn)行30組實驗,具體工況如表2所示。
本文采用數(shù)值模擬軟件FDS對不同坡度條件下火災(zāi)煙氣的運(yùn)動進(jìn)行模擬。FDS模型寬0.4 m、高0.5 m,與縮尺寸實驗臺相同;隧道內(nèi)設(shè)置有列車模型,長1 m,寬0.3 m,高0.38 m,表面設(shè)為“INERT”,如圖5所示。隧道入口設(shè)置為“SUPPLY”表面,出口設(shè)置為“OPEN”表面;火源設(shè)置為“BURNER”,采用HRRPUA的方式進(jìn)行功率控制,火源功率分別為2.79 kW、5.58 kW、8.38 kW、11.17 kW和16.67 kW;隧道內(nèi)外環(huán)境溫度均設(shè)置為10 ℃,大氣壓為101325.0 Pa。《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157- 2013)中規(guī)定隧道區(qū)間最大坡度一般不超過30‰,困難地段不超過35‰,為了便于研究不同坡度對煙氣輸運(yùn)規(guī)律的影響,參考前人對坡度隧道的研究進(jìn)展[10, 13, 19, 20],選取0%,3%,6%,9%,12%,15%六種不同坡度工況進(jìn)行研究。每種工況的模擬時間均為600 s。
表2 本文實驗工況
圖4 列車模型圖片F(xiàn)ig.4 The picture of the model subway
本文共進(jìn)行150組FDS數(shù)值模擬,如表3所示。
圖5 FDS模型示意圖Fig.5 Schematic of FDS model
實驗編號火源功率Q/kW坡度/%縱向通風(fēng)風(fēng)速V/(m/s)1-302.7931-605.5861-908.3891-12011.17121-15016.670、3、6、9、12、150.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.30.1、0.15、0.2、0.25、0.3
FDS用戶指南指出在進(jìn)行計算網(wǎng)格校驗時可以參考特征火源直徑和網(wǎng)格尺寸的比值,即D*/δx。特征火源直徑的定義為:
(10)
相關(guān)研究表明[14, 21],當(dāng)比值D*/δx的取值在4~16之間時,數(shù)值模擬結(jié)果不依賴于網(wǎng)格尺寸,因此確保了結(jié)果的可信度。本文選取0.1 m、0.05 m、0.04 m和0.02 m四種網(wǎng)格進(jìn)行研究,檢驗FDS模型的網(wǎng)格獨立性。
首先選取火源下游方向1.5 m處垂直方向溫度分布進(jìn)行FDS模型網(wǎng)格效驗。由圖6可知,網(wǎng)格尺寸為0.1 m時,垂直方向上溫度分布出現(xiàn)震蕩,而較小網(wǎng)格尺寸的溫度分布曲線較為平滑。0.04 m和0.02 m計算結(jié)果較為接近,因此0.04 m和0.02 m網(wǎng)格可以用于FDS建模。
圖6 火源下游1.5 m處垂直方向不同網(wǎng)格尺寸溫度變化圖Fig.6 Predicted temperatures located 1.5 m downstream from the fire source in the vertical direction based on different grid sizes
其次將四種網(wǎng)格代入公式(10)中,D*/δx計算結(jié)果如表4所示。由表4可知,網(wǎng)格尺寸0.02 m時,其取值均處于4~16之間,將四種網(wǎng)格尺寸中溫度分布規(guī)律和公式(10)計算結(jié)果綜合考慮,本文中模型采用的網(wǎng)格尺寸為0.02 m。
表4 D*/δx計算結(jié)果
(11)
式中V1為隧道上游縱向通風(fēng)風(fēng)速,m/s;ρ1為隧道上游空氣密度,kg/m3;A1為隧道上游橫截面積,m2;V2為列車區(qū)域縱向風(fēng)速,m/s,ρ2為列車處空氣密度,kg/m3;A2為列車區(qū)域隧道等效橫截面積,m2。
假設(shè)隧道內(nèi)空氣密度恒定不變,即ρ1=ρ2=ρ0,列車區(qū)域縱向風(fēng)速可表示為:
(12)
由公式(12)可知,當(dāng)隧道內(nèi)進(jìn)行縱向通風(fēng)時,因為地鐵列車存在,列車區(qū)域處截面積A2將發(fā)生變化,現(xiàn)定義隧道阻塞比φ:
(13)
式中At為地鐵列車橫截面積,m2。
因此列車區(qū)域縱向風(fēng)速V2可表示為:
(14)
圖7 隧道縱向通風(fēng)示意圖Fig.7 The schematic diagram of longitudinal ventilation
當(dāng)煙氣逆流長度小于列車長度時,公式(9)將表示為以下關(guān)系式:
(15)
隧道頂棚下方布置的K型熱電偶可以用來測量煙氣逆流長度,圖8給出了隧道穩(wěn)定狀態(tài)下如何從煙氣縱向溫度分布中得到煙氣逆流長度的方法。在溫度分布曲線圖中,我們可以找到具有明顯特征的熱電偶A和熱電偶B,熱電偶A的溫度接近室溫而熱電偶B為火源所在處溫度,熱電偶A與熱電偶B之間存在明顯溫升,因此我們定義熱電偶A、B之間的距離為煙氣的逆流長度,在縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬中,均采用該方法測量煙氣逆流長度。
圖8 縮尺寸隧道頂棚下方煙氣溫度分布示意圖Fig.8 Smoke gas temperature distribution underneath the ceiling indicating in the reduced- scale subway tunnel
圖9 水平條件下無量綱逆流長度結(jié)果Fig.9 Results of dimensionless back- layering length in the horizontal subway tunnel model
圖9為坡度為0%時,存在阻塞物的地鐵隧道無量綱逆流長度實驗與數(shù)值模擬結(jié)果。由圖9可見,當(dāng)坡度為0%時,數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果吻合的較好,煙氣逆流長度具有一致的變化趨勢,采用該模型對逆流長度進(jìn)行研究是可行的。在圖9中可以發(fā)現(xiàn)無量綱逆流長度曲線存在一個拐點,拐點左右區(qū)域1和區(qū)域2無量綱逆流長度曲線斜率不同,煙氣逆流長度在不同區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)不同變化規(guī)律,區(qū)域1處煙氣逆流長度小于區(qū)域2處煙氣逆流長度。通過對實驗?zāi)M數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)拐點處煙氣逆流長度近似為列車模型長度,區(qū)域1逆流長度L均小于列車模型車長Lt,區(qū)域2逆流長度L均大于列車模型車長Lt。
圖10為煙氣逆流長度L小于列車車長Lt時的煙氣運(yùn)動受力圖。假定煙氣層厚度h、密度ρS和空氣密度ρ0保持不變,選取煙氣層內(nèi)單位體積的控制體進(jìn)行受力分析。隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動驅(qū)動力主要由因熱煙氣與空氣之間的密度差產(chǎn)生的靜壓力Ps和因溫度差產(chǎn)生的煙氣浮力Pbuoyancy提供,其計算公式如下:
(16)
式中Δρ為密度差,kg/m3;g為重力加速度,m/s2;h為煙氣層厚度,m。
(17)
式中ρS為煙氣密度,kg/m3;ΔT為煙氣層與空氣層溫度差,K;T0為空氣層溫度,K;θ為隧道傾斜角。
在隧道內(nèi)縱向通風(fēng)將對煙氣向上運(yùn)動產(chǎn)生阻力Pd,其計算公式為:
(18)
式中ρ0為空氣密度,kg/m3;V為縱向通風(fēng)風(fēng)速,m/s。
圖10 隧道煙氣受力分析圖Fig.10 Stress analysis of the smoke in a slope subway tunnel
圖11為坡度3%,6%,9%,12%和15%條件下,存在阻塞物的地鐵隧道無量綱逆流長度模擬結(jié)果。由圖11可知,在不同坡度條件下,由于列車阻塞效應(yīng)的存在煙氣逆流長度曲線都出現(xiàn)了拐點,阻塞效應(yīng)對煙氣逆流長度存在重要的影響;同時通過對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行擬合,得到對應(yīng)坡度條件下區(qū)域1和區(qū)域2的煙氣逆流長度公式。當(dāng)煙氣逆流長度大于列車車長時,縱向通風(fēng)風(fēng)速將不會因阻塞效應(yīng)而增大,因此區(qū)域2處將采用公式(9)進(jìn)行計算。根據(jù)實驗和模擬數(shù)據(jù),將不同坡度條件下煙氣逆流長度公式進(jìn)行整理,結(jié)果如表5所示。
圖11 不同坡度條件下無量綱逆流長度結(jié)果Fig.11 Results of dimensionless back- layering length in subway tunnel model with different slopes
坡度區(qū)域1R2區(qū)域2R20%L*=5.32lnQ*1/3V*/1-φ()[]-0.690.977L*=35.02lnQ*1/3V*[]-43.760.9723%L*=4.67lnQ*1/3V*/1-φ()[]-0.130.951L*=45.55lnQ*1/3V*[]-53.750.9426%L*=3.77lnQ*1/3V*/1-φ()[]+0.390.963L*=53.89lnQ*1/3V*[]-63.600.9669%L*=3.53lnQ*1/3V*/1-φ()[]+0.710.937L*=56.61lnQ*1/3V*[]-64.440.96012%L*=4.42lnQ*1/3V*/1-φ()[]+0.950.916L*=59.80lnQ*1/3V*[]-67.640.96715%L*=5.08lnQ*1/3V*/1-φ()[]+1.110.937L*=64.57lnQ*1/3V*[]-71.790.971
圖12 不同坡度條件下區(qū)域1和區(qū)域2無量綱煙氣逆流長度對比圖Fig.12 Comparison of dimensionless back- layering length with different slopes in Part 1 and Part 2
如圖12所示,當(dāng)煙氣逆流長度處于相同區(qū)域時,隨著坡度的增加,煙氣逆流長度也隨之增加。主要原因是當(dāng)火源功率和縱向通風(fēng)風(fēng)速相同時,即縱向通風(fēng)而產(chǎn)生的阻力Pd和驅(qū)動煙氣的靜壓力Ps保持不變,煙氣浮力Pbuoyancy隨著坡度的增加而不斷增大,導(dǎo)致較高的坡度具有較長的煙氣逆流長度。由圖12可得,逆流長度并非和坡度呈線性關(guān)系,其主要原因在于煙氣浮力Pbuoyancy除受到坡度影響,還與煙氣溫度有關(guān),在阻塞效應(yīng)和坡度的共同作用下,煙氣與隧道壁面熱交換過程復(fù)雜,區(qū)域1和區(qū)域2中的逆流長度變化趨勢各有不同。
將表5不同區(qū)域無量綱煙氣逆流長度公式進(jìn)行處理,區(qū)域1和區(qū)域2無量綱逆流長度可以表示為:
(19)
式中a1、a2、b1、b2為擬合系數(shù)。
將不同區(qū)域的a與b的值整理與表6中,由圖13通過與坡度進(jìn)行擬合,得到不同坡度條件下區(qū)域1和區(qū)域2無量綱煙氣逆流長度統(tǒng)一公式:
(20)
圖13 不同區(qū)域a、b與坡度β擬合圖Fig.13 The values of a and b vs. slopeβ in different parts
坡度區(qū)域1a1b1區(qū)域2a2b20%5.320.87835.020.2873%4.670.97245.550.3076%3.771.10953.890.3079%3.531.22456.610.32012%4.411.23859.800.32315%5.081.24464.570.329
本文采用無量綱理論分析、縮尺寸實驗和FDS數(shù)值模擬對地鐵隧道的煙氣逆流長度進(jìn)行研究,考慮不同火源功率、縱向通風(fēng)風(fēng)速和隧道坡度,通過實驗、模擬分析得到以下結(jié)論:
(1)水平隧道FDS模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合度較高,本文建立的FDS模型通過改變隧道坡度,可以用于研究不同坡度條件下煙氣逆流長度的變化規(guī)律。
(2) 縮尺寸實驗和FDS模擬結(jié)果表明,隧道阻塞效應(yīng)對煙氣逆流長度存在影響,縱向風(fēng)速在阻塞區(qū)域?qū)⒚黠@增大,導(dǎo)致抑制煙氣向上蔓延阻力Pd增加,使得無量綱煙氣逆流長度曲線出現(xiàn)拐點。
(3)通過對不同坡度條件下逆流長度分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他條件保持不變,隨坡度的增加,煙氣逆流長度呈現(xiàn)增大趨勢;并根據(jù)實驗和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)推導(dǎo)了適用于阻塞條件下坡度隧道的無量煙氣逆流長度統(tǒng)一模型。
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Slopeeffectontheback-layeringlengthinsubwaytunnelfireswithblockage
ZHU Kai, CHENG Xudong, ZHANG Shaogang, YAO Yongzheng, ZHANG Ruifang, YANG Hui
(State Key Laboratory of Fire Science,University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)
The back- layering length of smoke is an important parameter in longitudinal ventilation design.Previous studies focused on the road tunnels while there is few researches on the back- layering length of smoke in the in clined subway tunnels with blockage.By theoretical analysis, small size experiment and FDS simulation, this paper deduced the dimensionless expression of back- layering length in tunnel fire, which fits for the inclined subway tunnels with blockage. Moreover, the change rule of back- layering length with different slopes is obtained. The results show that the back- layering length of smoke in horizontal subway tunnel with blockage agrees well with the results of FDS simulation, so this model can study the conditions of different slopes; with the increase of slope, the back- layering length increases correspondingly.
Subway tunnel; Back- layering length of smoke; Slope; Blockage
1004- 5309(2017)- 00157- 11
10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.05
2017- 02- 28;修改日期2017- 04- 10
國家重點研發(fā)計劃課題(2016YFC0800603);國家自然科學(xué)基金重點項目(51323010);中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(WK2320000035)
朱凱(1992- ),男,江蘇鎮(zhèn)江人,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室碩士研究生,安全科學(xué)與工程專業(yè),主要從事地鐵隧道火災(zāi)防控研究。
楊暉,E- mail: yanghui@ustc.edu.cn
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