王新坤，靳彬彬，樊二東，姚吉成，張晨曦，王 軒，薛子龍

射流三通產(chǎn)生的脈沖波對灌水器水力與抗堵塞特性的影響

王新坤，靳彬彬，樊二東，姚吉成，張晨曦，王 軒，薛子龍

（江蘇大學流體機械工程技術(shù)研究中心，鎮(zhèn)江 212013）

該文應(yīng)用CFD兩相流模擬與水力試驗相結(jié)合的方法，研究射流三通產(chǎn)生的脈沖水流對灌水器流道水力性能和抗堵塞性能的影響。進行射流三通水力性能試驗，獲取其脈沖參數(shù)（振幅、周期），用以生成波動壓力，為數(shù)值模擬提供參考；對比射流三通、普通三通下定制灌水器出口流量的模擬值與實測值，驗證模擬方法的可行性；數(shù)值模擬研究不同時刻脈沖條件下含沙量在流道的分布情況和不同密度、不同粒徑顆粒的運動路徑及速度變化。結(jié)果表明，射流三通產(chǎn)生的波形與同參數(shù)正弦波波形類似，可由正弦波代替射流三通波進行模擬。射流三通波形壓力和恒壓下的流量的實測值與模擬值之間的相對誤差在7%以內(nèi)；脈沖條件下灌水器流道的主流區(qū)和漩渦區(qū)都具有脈沖性能。脈沖條件下流道最大含沙量低于恒壓條件下的22%。同一密度不同粒徑條件下，恒壓條件高于脈沖水流下顆粒路徑的1.21%～26.9%，同一粒徑不同密度條件下，恒壓高于脈沖水流條件顆粒路徑的3.25%～9.6%。綜上，射流三通產(chǎn)生的脈沖波能夠提高水流的挾沙能力和抗堵塞性能。

顆粒；流量；CFD；灌水器；射流三通；脈沖波；水沙兩相流；抗堵塞

0 引 言

滴灌具有灌水均勻、高效節(jié)水節(jié)肥、改善作物品質(zhì)、增產(chǎn)增收等特點，是中國大面積推廣應(yīng)用的高效節(jié)水灌溉方式之一[1]。但灌水器流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸微小，流道內(nèi)流速較小，增大了灌水器堵塞幾率，使得灌水均勻度受到影響[2-4]。因此，眾多學者通過改善灌水器結(jié)構(gòu)及優(yōu)化灌水器結(jié)構(gòu)參數(shù)來提高灌水器的流動狀態(tài)和抗堵塞性能[5-7]。魏正英等[8-9]在灌水器內(nèi)流場模擬的分析基礎(chǔ)上，制作有機玻璃模型試驗，應(yīng)用激光多普勒對迷宮流道內(nèi)速度場進行測試，分析迷宮流道內(nèi)部流動場的情況及堵塞機理，提出迷宮流道的設(shè)計方法。喻黎明等[10]利用流體力學Fluent軟件對迷宮滴頭進行模擬，分析梯形流道內(nèi)含沙量和流速分布圖，并以含沙量作為邊界條件，對流道進行優(yōu)化，獲得較好的灌水器流道模型。近年來，有學者提出動態(tài)水壓改善灌水器的抗堵塞性能，利用變頻器及程序控制器控制泵的轉(zhuǎn)速來改變泵的頻率，從而實現(xiàn)波動水壓，這種波動水壓能加劇滴灌水流的紊動性能，提高水流對顆粒物的運移能力，從而改善顆粒物的抗堵塞性能[11-13]。但這種波動水壓發(fā)生器造價高、安裝、試驗、維護較為復(fù)雜，可靠性難以保證，是制約脈沖滴灌技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。王新坤[14]利用射流附壁原理，設(shè)計了一種能產(chǎn)生脈沖水流的射流三通，結(jié)構(gòu)簡單、可一次注塑成型。楊玉超等[15]通過FLUENT對射流三通進行模擬發(fā)現(xiàn)，隨著射流三通噴嘴寬度的增大，振幅和頻率在變小，隨著進口壓力的增大脈沖頻率和脈沖振幅也在增大。許鵬等[16-18]研究了不同噴嘴寬度下射流三通的脈沖頻率及水頭振幅與水頭損失關(guān)系式，并對射流三通的流量均勻性及流量偏差率進行了研究，表明射流三通能夠有效提高灌水均勻性和降低流量偏差率。王新坤等[19-20]通過設(shè)計支管射流三通，和毛管射流三通進行匹配試驗，發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的脈沖灌水小區(qū)比普通的灌水小區(qū)能較好地提高灌水均勻性和降低流量偏差率。王新坤等[21]指出抗堵塞能力由大到小的高頻脈沖波形順序為正弦波、三角波、梯形波、矩形波。王新坤等[22]通過泥沙級配試驗，測試了射流三通的抗堵塞試驗。但射流三通產(chǎn)生的脈沖波對灌水器的抗堵塞機理還未進行研究。

本文通過高速攝影獲取射流三通產(chǎn)生的波形，將獲取的波形與正弦波進行對比分析，發(fā)現(xiàn)射流三通產(chǎn)生的波形與正弦波類似，由正弦波代替射流三通產(chǎn)生的波形進行模擬試驗，對比分析射流三通式波動壓力和恒壓下灌水器內(nèi)部流場中流道濃度分布、顆粒的速度及顆粒軌跡線的區(qū)別，分析射流三通產(chǎn)生波形對顆粒物的影響，為射流三通的抗堵塞機理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 灌水器和射流三通

試驗所用灌水器二維模型及三維模型實物如圖1所示，灌水器流道轉(zhuǎn)角位為16°，齒高為2.17 mm，流道深度為1.87 mm，齒尖距為為2.07 mm，流道單元格總計為11個。

注：a為流道深度，mm；b為齒高，mm；c為齒尖距，mm；θ為流道轉(zhuǎn)角位，(°)。

試驗的射流三通二維模型及三維模型實物如圖2所示，射流三通的結(jié)構(gòu)組成包括：射流元件、進出口段，其中射流三通主要尺寸為：噴嘴寬度為4 mm，位差為2 mm，劈距為28 mm，側(cè)壁夾角為20°，控制道長度=54 cm，控制管寬度c為5 mm，出口內(nèi)寬度i為10 mm，分流劈半徑為2 mm。

注：w為噴嘴寬度，mm；S為位差，mm；h為劈距，mm；α為側(cè)壁夾角，(°)；cw為控制管寬度，mm；iow為出口內(nèi)寬度，mm；R為分流劈半徑，mm。

1.2 試驗過程及測定項目

試驗系統(tǒng)設(shè)計布置如圖3所示。射流三通左出口連接60 m滴灌帶（華維節(jié)水有限公司生產(chǎn)的內(nèi)鑲式滴灌帶，內(nèi)徑16 mm），其右出口連接定制的迷宮流道灌水器。

1.水箱；2.壓力表；3.壓力傳感器；4.射流三通；5.定制的迷宮流道灌水器；6.普通三通；7.水泵；8.閥門

試驗在江蘇大學節(jié)水灌溉技術(shù)研究中心微灌實驗室進行，實驗室噴灌大廳溫度為24°～29°，相對濕度為50%～60%。本試驗主要分為2部分：射流三通左出口脈沖波形的測定；連接射流三通右出口和普通三通出口的定制灌水器出口流量的測定。通過高速攝影分別拍攝三通進口壓力為50、60、80、100、120 kPa時射流三通左出口波動壓力，并用i-SPEED后處理軟件記錄相應(yīng)壓力變化數(shù)值大小。分別測量普通三通和射流三通的進口壓力為50、60、80、100、120 kPa時灌水器出口流量。

灌水器出口流量通過稱質(zhì)量法測定，收集穩(wěn)定壓力下20 min的灌水器出流水量并用精密電子秤稱質(zhì)量。對射流三通出口壓力變化主要通過高速攝影拍攝，然后通過i-SPEED后處理軟件記錄壓力變化數(shù)值大小，然后使用Origin軟件繪制射流三通產(chǎn)生的脈沖波形；壓力傳感器（零點偏差：0.5%，穩(wěn)定性：0.25級）能實時記錄射流三通的脈沖波形，兩者得到的波形能相互驗證。

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1 幾何模型

本研究的迷宮流道結(jié)構(gòu)灌水器如圖1所示。通過UG軟件構(gòu)建的三維水體模型利用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分，考慮到結(jié)構(gòu)較為不規(guī)則，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，考慮到計算時有回流現(xiàn)象，將灌水器流道進出口各延長4 mm,以便于計算精確，并通過網(wǎng)格無關(guān)性計算，最終選定網(wǎng)格數(shù)為20萬數(shù)值計算。

1.3.2 模擬過程

灌水器流道中水流會產(chǎn)生不同程度的漩渦且流動狀態(tài)非常復(fù)雜，因此本文采用RNG湍流模型進行數(shù)值模擬計算[23-24]。進口邊界條件為脈沖水壓（其中之一如圖4所示）或恒定水壓，且泥沙顆粒的初始速度和水流速度一樣，出口邊界條件壓力值為0。數(shù)值計算采用有限體積法離散控制方程，對流項各參數(shù)的離散都采用二階迎風格式，速度和壓力的耦合采用SIMPLE算法求解，收斂精度為10-4。

圖4 射流三通出口壓力曲線

兩相流的含沙量設(shè)定為0.01 g/mL，其中固體顆粒直徑為80m，固體顆粒密度為2 500 kg/m3。二相流采用Fluent軟件標準歐拉-拉格朗日模型多項流模型模擬沙粒在灌水器流道內(nèi)含沙量的分布情況，考慮曳力，其他采用軟件默認函數(shù)。離散相模型是兩相流的一種基本模型，其實質(zhì)時基于歐拉-拉格朗日方法的稀相流模型。由于實際顆粒運動的隨機性，連續(xù)相流場的計算初步完成后，需要考慮湍流脈動對顆粒的影響，因此本文能使用DPM中的隨機軌道模型來模擬顆粒流動的運動問題。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬試驗驗證結(jié)果

不同壓力下射流三通產(chǎn)生的脈沖波形參數(shù)如表1所示。在脈沖條件及恒壓條件下測定的灌水器清水流量及其模擬值如表1所示，二者相對誤差為1.1%～6.6%。與李云開等[25]對3種常見的鋸齒形迷宮滴頭進行15～150 kPa壓力條件下流量的CFD數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，流量的實測值與模擬值之間的相對誤差均低于7%。由此可見，流場數(shù)值模擬準確度很大，且具備足夠的可靠性，精確性和代表性。

表1 射流三通進口壓力與脈沖振幅及振動頻率

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.2.1 單向流流場分析

1）流速分析

圖5a為流道截面的流場速度云圖，速度分為主流區(qū)和漩渦區(qū)，水流經(jīng)過每個單元格的流速分布基本相等。圖5b為流道第6單元格到第8單元格的速度云圖和流線圖，將每個單元格速度場分為主流區(qū)B和漩渦區(qū)A（又名滯留區(qū)），主流區(qū)流速較高，旋渦區(qū)流速較低，齒尖附近流速最大，靠近內(nèi)壁面和漩渦區(qū)中心流速最低。該模擬結(jié)果與喻黎明等[26]對迷宮流道模型進行水沙運動CFD-DEM耦合數(shù)值模擬中流體流場分析結(jié)果一致。圖6為在脈沖波與恒壓波條件下灌水器中主流區(qū)和漩渦區(qū)（滯留區(qū)）監(jiān)測的速度變化圖，由圖可知，恒壓條件下主流區(qū)和旋渦區(qū)流速基本穩(wěn)定不變，而脈沖波條件下水流流速持續(xù)不斷變化，主要原因是灌水器進口水壓為波動水壓。脈沖水流在流道中能大幅度上下波動，使得水流流速也呈波動狀態(tài)，水流獲得更多的能量并能夠攜帶更多的雜質(zhì)。恒壓和脈沖條件下，旋渦區(qū)水流流速都較低，其中恒壓條件下水流流速穩(wěn)定不變，而脈沖條件下水流瞬時速度為波形變化，這樣主流區(qū)水流會帶動漩渦區(qū)水流并使其獲得波動性能，增加其紊動性能，之后旋渦區(qū)的水流又被帶入到主流區(qū)，使得水流中的雜質(zhì)更容易隨主流流走，不易在漩渦區(qū)沉積，從而能有效提高灌水器的抗堵塞性能。

注：A、B為旋渦區(qū)和主流區(qū)

圖6 在主流區(qū)和滯留區(qū)中水流的瞬時速度變化

2）濃度分布分析

進行分析時，取射流三通進口壓力水頭為8 m，工作壓力水頭為3.8～7.4 m為研究對象，灌水器入口水流固體顆粒濃度為0.01 g/mL、密度為2 500 kg/m3，固體顆粒直徑為80m，采用不同的波形對灌水器進行模擬，其最大顆粒濃度和不同位置的顆粒濃度如圖7所示，CFD兩相流數(shù)值模擬，確定流道內(nèi)固體顆粒分布狀況，并繪制出最高含沙量分布等直線圖。

注：T、T1/4、T1/2分別為射流三通波形水壓運行的1個、1/4個、1/2個周期；2.0%～4.5%分別為相應(yīng)條件下最大顆粒濃度。等高線值為顆粒濃度。

由圖7可知，顆粒濃度最大處一般都集中在旋渦區(qū)，說明流道低速區(qū)容易沉積泥沙，水流流速緩慢容易引起泥沙的沉積，這與魏正英等[27]利用離子圖像測速追蹤沙粒在流道主流區(qū)和旋渦區(qū)運動的規(guī)律很相似。而射流三通脈沖波條件下灌水器流道中泥沙沉積濃度是隨時間改變的，且脈沖波條件下濃度最大值低于恒壓條件最大濃度的22.2%，說明脈沖水壓條件下能減少流道中泥沙的沉積量，主要原因是脈沖水流能加強旋渦區(qū)水流的紊動性能，使得旋渦區(qū)水流獲得大量能量，增大了旋渦區(qū)泥沙進入主流區(qū)的幾率，從而能改善灌水器流道內(nèi)泥沙的最大總沉積量。

2.2.2 離散相分析

1）不同直徑顆粒運動分析

通過CFD中兩相流模型模擬了密度為2 500 kg/m3且直徑分別為60、80、150m的顆粒的運動。從圖8和圖9可以看出，顆粒粒徑由小變大條件下，正弦波時顆粒軌跡路程分別為37.96、44.24、51.36 mm，恒壓時顆粒軌跡分別為38.42、45.67、65.20 mm，由此可見2種波形下顆粒通過灌水器流道的軌跡路程與顆粒粒徑大小線性相關(guān)，恒壓下顆粒路徑要高于脈沖水流的1.21%～26.9%。這是因為大粒徑顆粒隨水流向前運動的特性變差，結(jié)果顆粒經(jīng)常與流道邊壁碰撞，而之后顆粒的速度會銳減且顆粒在流道旋渦區(qū)運動，因此顆粒路徑增多。對比不同條件下顆粒運動軌跡發(fā)現(xiàn)，恒壓和正弦條件下粒徑60m時顆粒軌跡都很光滑，但當顆粒粒徑為150m時，恒壓條件下顆粒軌跡變得不光滑且發(fā)生轉(zhuǎn)折處很多，而正弦條件下依然很光滑；隨粒徑增大，正弦波時顆粒軌跡路程比恒壓時分別小0.46、1.43、13.84 mm，且恒壓與正弦波之間顆粒軌跡路程的差值也漸漸變大；由此可見，正弦波能降低顆粒與流道內(nèi)壁面碰撞幾率，進而減少在流道中的軌跡路程，因而加強了水流對顆粒的攜帶能力，降低了灌水器堵塞風險，并且顆粒粒徑越大，效果越顯著。60m顆粒正弦波條件下，顆粒最小速度保持在0.7 m/s左右，且與流道內(nèi)壁面碰撞幾率要比恒壓條件下小的多，而恒壓條件下顆粒最小速度保持在0.2 m/s左右，可見恒壓時顆粒碰撞流道內(nèi)壁幾率變大，而導(dǎo)致顆粒瞬時速度減小，進而滯留在流道內(nèi)；2種條件下，80m顆粒的最大速度均比60m顆粒小，顆粒速度基本為0的次數(shù)比60m顆粒多，且正弦波條件下的次數(shù)比恒壓條件下的多，但正弦波條件下速度變化率大，從而顆粒軌跡路程比恒壓條件少；2種條件下，150m顆粒速度變化顯著，顆粒速度基本為0的次數(shù)比80m顆粒多，由此可見顆粒粒徑變大增加了顆粒間或顆粒與流道內(nèi)壁面碰撞消能的可能性，進而速度減小，路程增加，而正弦波條件下的路程又小于恒壓條件，原因是脈沖水壓條件下灌水器流道的旋渦區(qū)水流也在持續(xù)的大幅度的上下波動，水流流速呈非線性變化，增加了漩渦區(qū)的水流的紊動程度和水流能量，使得顆粒物獲得較大的能量，增強了水流對泥沙顆粒的攜帶能力，漩渦區(qū)的沙粒重新進入主流區(qū)，隨主流區(qū)水流流走，從而提高了灌水器的抗堵塞性能。

注：顆粒密度為2 500 kg·m-3。圖9同。

圖9 不同粒徑的顆粒速度對比

2）不同密度的顆粒運動分析

圖10為粒徑是80m的，且密度分別是1 740 kg/m3鎂粉、2 500 kg/m3沙粒和2 870 kg/m3鋁粉的單個顆粒的模擬運動。由圖10可知，當密度由小變大時，脈沖波條件下顆粒軌跡路程分別是42.75、44.23和43.38 mm，恒壓條件下顆粒軌跡分別是44.48、45.67和47.55 mm，由此可知，同一粒徑不同密度條件下，恒壓下顆粒路徑要高于脈沖水流的3.25%～9.6%；當密度由小變大時，顆粒在流道中碰撞和滯留的可能性變大，顆粒軌跡變得不那么光滑，從而顆粒軌跡路程漸漸變多，然而脈沖波條件下顆粒的軌跡路徑均比恒壓條件少得多，且脈沖波在密度加大為2 870 kg/m3時，顆粒路徑卻變少，說明密度對顆粒軌跡路程發(fā)揮作用不顯著，且不如粒徑影響明顯。密度在1 740 kg/m3時，脈沖波條件下顆粒整體速度大于恒壓條件，隨著密度的增加，脈沖波條件下顆粒最小速度出現(xiàn)次數(shù)多于恒壓條件，但與恒壓條件下的路徑差值呈先減小后增大的趨勢，說明脈沖波下密度的增加對顆粒的作用效果更明顯。

注：粒徑為80 μm。

3 結(jié)論與建議

已有關(guān)于灌水器流道兩相流數(shù)值分析研究主要基于恒壓條件，本研究主要分析了在脈沖壓力條件下灌水器兩相流數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)論如下：

1）通過數(shù)值模擬和水力試驗驗證了該模擬結(jié)果的準確性，射流三通波形壓力和恒壓下的流量的實測值與模擬值之間的相對誤差在7%以內(nèi)，為灌水器流道的數(shù)值模擬研究提供依據(jù)。

2）通過計算流體動力學水沙兩相流數(shù)值模擬，得到了灌水器迷宮流道截面的流場速度云圖和流線圖，對比分析脈沖波與恒壓波在主流區(qū)和旋渦區(qū)監(jiān)測點速度變化，表明脈沖條件下主流區(qū)和旋渦區(qū)都具有脈沖性能。

3）分析流道中顆粒濃度的瞬時分布，結(jié)果表明，顆粒濃度最大值一般聚集在滯留區(qū)，在低速區(qū)容易沉積，而脈沖條件下顆粒沉積濃度是隨時間變化的，且顆粒濃度最大值低于恒壓條件最大濃度的22.2%；隨顆粒濃度增加，脈沖波對顆粒的影響效果更顯著。

4）同一密度不同顆粒條件下，顆粒通過灌水器的路徑與顆粒粒徑線性相關(guān)，且恒壓下顆粒路徑要高于脈沖水流的1.21%～26.9%，隨粒徑的增大，速度極小值出現(xiàn)次數(shù)增多，且顆粒運動相同路程時的瞬時速度遞減；同一粒徑不同密度條件下，恒壓下顆粒路徑要高于脈沖水流的3.25%～9.6%，同條件路徑增幅較小，不如粒徑因素影響顯著。

本文通過Fluent數(shù)值模擬方法，獲得灌水器內(nèi)流場速度分布、沙粒濃度分布和不同直徑不同密度沙粒的軌跡路程，僅對灌水器滴頭出口流量模擬值進行了驗證，后期應(yīng)在加工灌水器流道模型的基礎(chǔ)上利用離子圖像測速技術(shù)得到顆粒實際運動軌跡并進一步驗證模擬結(jié)果。

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Effects of high frequency pulse produced by jet tee on hydraulic and anti-clogging characteristics of emitters

Wang Xinkun, Jin Binbin, Fan Erdong, Yao Jicheng, Zhang Chenxi, Wang Xuan, Xue Zilong

(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The anti-clogging mechanism of pulsed water produced by jet tee in drip irrigation system is unclear. In this study, the influence of pulse wave generated by jet tee on hydraulic and anti-clogging properties was investigated. The flow depth of emitter used by the simulation and test was 1.87 mm, the dentation height was 2.17 mm, the tooth tip distance was 2.07 mm and the corner of runner was 16o. The hydraulic performance test of jet tee was carried out to obtain its pulse parameters (amplitude, period) and to verify the predictions of the computational fluid dynamics (CFD) simulations. The fluctuating pressure with the same pulse frequency as the jet tee was as the pressure inlet boundary condition of CFD. The internal flow of the emitter was described by CFD based on solid-liquid two-phase turbulent model established. The sediment concentration distribution and particles motion path in the emitter channels were obtained by CFD. The waveform produced by the jet tee was similar to the sine wave with the same parameters. A sine wave instead of a jet ternary wave was used for simulation. The relative error between the measured value and the simulated value of the pressure and constant pressure of the jet three-way waveform was samller than 7%. When the inlet water pressure was the same, the average flow rate of the dripper under pulsed water pressure was always smaller than that under constant water pressure. Under the pulse condition, the main flow area and the vortex area of the irrigation channel had pulse performance, and the maximum particle content of the flow channel was lower than 22% under constant pressure. Under the same particle density and different particle size conditions, the particle path in the constant pressure flow was from 1.21% to 26.9%, which was higher than that in the pulse flow. With the increase of particle size, the number of times of the minimum velocity increased, and the instantaneous velocity decreased with the same distance of particle movement. Under the same particle size and different particle density conditions, the particle path in the constant pressure flow was from 3.25% to 9.6%, which was higher than that in the pulse flow. The increase of particle path under the different particle density conditions was smaller than that under the particle size conditions. The comparative analysis above shows that the pulse wave generated by the jet tee would improve the sand-holding ability and anti-blocking performance of the water flow.

particles; flow rate; computational fluid dynamics; emitter; jet tee; pulse; water-sediment two-phase flow; anti-clogging

王新坤，靳彬彬，樊二東，姚吉成，張晨曦，王軒，薛子龍.射流三通產(chǎn)生的脈沖波對灌水器水力與抗堵塞特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2020，36(2)：113－119.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.014 http://www.tcsae.org

Wang Xinkun, Jin Binbin, Fan Erdong, Yao Jicheng, Zhang Chenxi, Wang Xuan, Xue Zilong. Effects of high frequency pulse produced by jet tee on hydraulic and anti-clogging characteristics of emitters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 113－119. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.014 http://www.tcsae.org

2019-07-17

2019-12-08

國家自然科學基金項目（51579116）；江蘇省科技計劃項目（BE2018373）

王新坤，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。Email：xjwxk@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.014

S275.6

A

1002-6819(2020)-02-0113-07