張麗麗 ，王 海 ，徐 龍 ，劉 飛

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 都江堰 611830；2.成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610021；3.四川省建筑科學(xué)研究院建筑節(jié)能研究所，四川 成都610081)

隧道施工過程中由于壁面散濕、敞開水源蒸發(fā)、施工灑水、人體散濕、外部空氣帶濕等因素會(huì)形成高濕環(huán)境．如果人員長(zhǎng)期在高濕環(huán)境下工作，空氣中水蒸氣分壓力大于人體皮膚表面水蒸氣分壓力，將使人體排汗十分困難并產(chǎn)生中暑現(xiàn)象；同時(shí)濕度過高，還會(huì)降低材料的機(jī)械強(qiáng)度，使材料產(chǎn)生破壞性變形而降低材料的質(zhì)量并腐蝕金屬器具，嚴(yán)重影響人的工作效率[1-2]．特別是對(duì)于大型地下水電站，施工期長(zhǎng)，地下洞室結(jié)構(gòu)復(fù)雜．由于各隧道之間縱橫交錯(cuò)、相互貫通，同時(shí)隧道埋深較大，則形成了進(jìn)風(fēng)通道少、排風(fēng)系統(tǒng)相互影響的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致施工期水電站地下洞室群的濕環(huán)境非常糟糕．目前，國內(nèi)外對(duì)地下工程熱濕環(huán)境的研究主要集中在三個(gè)方面：散濕源研究，除濕方法研究，熱濕環(huán)境研究[3-17]．對(duì)地下工程熱濕環(huán)境的研究主要集中在鐵路隧道施工期、運(yùn)營期的熱濕環(huán)境研究，而對(duì)于水電站地下洞室群施工期形成的高濕環(huán)境及除濕方法研究較少．本文結(jié)合水電站地下洞室施工期高濕環(huán)境的問題通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬的方法重點(diǎn)研究了機(jī)械通風(fēng)除濕方式對(duì)其濕環(huán)境的改善效果，為實(shí)際工程中改善施工期水電站地下洞室群高濕環(huán)境提供了重要的技術(shù)支撐．

1 隧道熱濕環(huán)境實(shí)測(cè)及分析

本文選擇四川省正處于施工期的某大型水電站進(jìn)行測(cè)試，測(cè)點(diǎn)均布置在隧道中心軸線上，距地高度為1.5 m，測(cè)點(diǎn)間距為5 m，每處測(cè)試地點(diǎn)共9個(gè)測(cè)點(diǎn)，見圖1施工期洞室掌頭區(qū)域[1](掌子面就是已開挖和未開挖的巖層的分界面，掌頭區(qū)域就是掌子面擴(kuò)大到的空間區(qū)域)測(cè)點(diǎn)布置圖．測(cè)試數(shù)據(jù)主要為隧道內(nèi)的溫濕度，見圖2某水電站地下洞室施工期洞室內(nèi)的熱濕環(huán)境實(shí)測(cè)圖．溫濕度測(cè)試采用便攜式Testo435-3溫濕度儀，溫度量程為?40 ℃～150 ℃，精度為±0.2 ℃；濕度量程為0～+100% RH，精度為±2% RH．

圖1 施工期洞室掌頭區(qū)域測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Measuring points layout of cavern metacarpal head region during the construction period

圖2 施工期洞室掌頭區(qū)域溫、濕度實(shí)測(cè)曲線Fig.2 Temperature humidity measured curve of cavern metacarpal head region during the construction period

水電站地下隧道施工期內(nèi)的溫度最高為27.1 ℃，能夠滿足設(shè)計(jì)不超過28 ℃的要求．洞室內(nèi)的空氣相對(duì)濕度基本都在 96%以上，最高值為99.4%，最低值為96.8%．說明該類隧道為無熱害的高濕環(huán)境隧道，有效改善隧道內(nèi)濕環(huán)境，不僅能在水電站洞室群施工期間為隧道內(nèi)工作人員創(chuàng)造良好的工作空間，還能保證水電站地下洞室群施工安全及縮短施工工期．

深埋水電站地下洞室群施工期濕環(huán)境機(jī)械通風(fēng)除濕方式，不僅操作簡(jiǎn)便，而且能在這錯(cuò)綜復(fù)雜的洞室群隧道中有目的的進(jìn)行氣流組織，避免氣流在各洞室之間相互亂竄，造成各種不必要的除濕負(fù)擔(dān)．但采用機(jī)械通風(fēng)方式所需的通風(fēng)量巨大，在施工期的隧道中進(jìn)行除濕設(shè)計(jì)時(shí)，主要以掌頭區(qū)的除濕設(shè)計(jì)為主．

2 濕邊界確定

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬對(duì)比的方法，驗(yàn)證水電站地下洞室群熱濕環(huán)境模擬計(jì)算的邊界條件，即對(duì)數(shù)值模擬濕源計(jì)算的可靠性及正確性進(jìn)行驗(yàn)證．

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立在大型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的一個(gè)壁面密封、保溫較好，長(zhǎng)寬高基本尺寸為4.8 m×2.9 m×3.35 m的小房間，其左右兩側(cè)為兩個(gè)相同尺寸的實(shí)驗(yàn)用房，如圖3所示．

圖3 實(shí)驗(yàn)房間示意圖Fig.3 The experiment room map

圖4 室內(nèi)測(cè)點(diǎn)平面布置圖Fig.4 Layout of indoor measurement point

在實(shí)驗(yàn)房間一端正中布置一臺(tái)濕膜加濕器，加濕器上放置一臺(tái)電子稱，并將補(bǔ)水箱布置在電子稱上，通過塑料管將補(bǔ)水箱與濕膜加濕器連接．實(shí)驗(yàn)測(cè)試前，測(cè)試室內(nèi)、外各測(cè)點(diǎn)的溫度、相對(duì)濕度及大氣壓力；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，測(cè)試室外各測(cè)點(diǎn)的溫濕度及大氣壓，并且每隔30 s記錄一次電子稱讀數(shù)，前后兩次相減為每30 s向?qū)嶒?yàn)房間的加濕量，同時(shí)需監(jiān)測(cè)濕膜加濕器送風(fēng)口、回風(fēng)口以及房間內(nèi)測(cè)點(diǎn)的溫度、相對(duì)濕度和大氣壓．房間2為本實(shí)驗(yàn)建立的實(shí)驗(yàn)房間．室內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置見圖4．測(cè)點(diǎn)高度分別為：d1距地面0.8 m、d2距地面0.4 m、d3距地面1.4 m、d4距地面1.38 m．

2.2 數(shù)值模擬

為使模擬計(jì)算準(zhǔn)確，對(duì)邊界條件作如下設(shè)定：實(shí)驗(yàn)房間保溫、密閉性良好；房間壁面絕熱，設(shè)為wall邊界；測(cè)試人員在房間測(cè)試，模擬時(shí)作為體熱源和濕源給定；將加濕量與時(shí)間的變化關(guān)系、水吸熱蒸發(fā)的汽化潛熱通過源項(xiàng)的方式定義為質(zhì)量源、能量源；動(dòng)量源根據(jù)出口平均風(fēng)速給定；室內(nèi)空氣不可壓縮，忽略固體壁面間的輻射．

為得到較好的計(jì)算結(jié)果并節(jié)約計(jì)算時(shí)間，在流速、溫度、濕度梯度變化較大的送、回風(fēng)口以及存在熱源的壁面附近進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格劃分均采用分塊結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，其余部分均劃分為漸變的六面體網(wǎng)格．同時(shí)，通過對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性驗(yàn)證，確定計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量為80萬．

2.3 結(jié)果對(duì)比

數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見圖5～圖8．從圖中可以看出，數(shù)值模擬得出的溫濕度變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)得出的變化規(guī)律基本一致，兩者相對(duì)誤差均小于10%，說明數(shù)值模擬計(jì)算濕環(huán)境(包括源項(xiàng)、組分輸運(yùn)、湍流模型)的可靠性和正確性．

圖5 測(cè)點(diǎn)d1(送風(fēng)口)溫濕度變化曲線圖Fig.5 Measuring point d1(air inlet) curve of temperature and humidity

圖6 測(cè)點(diǎn)d2(回風(fēng)口)溫濕度變化曲線圖Fig.6 Measuring point d2(air outlet) curves of temperature and humidity

圖7 測(cè)點(diǎn)d3(回風(fēng)口)溫濕度變化曲線圖Fig.7 Measuring point d3(air outlet)curves of temperature and humidity

圖8 測(cè)點(diǎn)d4溫濕度變化曲線圖Fig.8 Measuring point d4 curves of temperature and humidity

3 機(jī)械通風(fēng)除濕數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

采用CFD數(shù)值模擬軟件(Fluent)對(duì)某水電站地下洞室群夏季施工期進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)除濕模擬計(jì)算，除濕設(shè)計(jì)以控制施工掌頭區(qū)為主，并通過改變送風(fēng)狀態(tài)，研究機(jī)械通風(fēng)除濕對(duì)施工期水電站地下洞室群掌頭區(qū)不同的除濕效果．

3.1.1 幾何模型

水電站地下洞室群錯(cuò)綜復(fù)雜，多洞交叉，整個(gè)模型十分龐大．在考慮現(xiàn)有計(jì)算條件以及施工進(jìn)度下，本文以施工期某水電站導(dǎo)流洞[1]（導(dǎo)流洞是一個(gè)臨時(shí)的工程建筑，它的特點(diǎn)之一是工期往往是很緊迫的，如果不能按期完成，就會(huì)造成整個(gè)工程的工期延長(zhǎng)．施工期將原河道水流從上游圍堰前導(dǎo)向下游圍堰后的隧洞）為基礎(chǔ)，建立幾何計(jì)算模型．如圖9所示．

圖9 隧道計(jì)算模型Fig.9 The calculation model of tunnel

該模型中豎井高度為85 m，直徑為2 m，距掌子面110 m，距隧道另一斷面100 m；隧道斷面尺寸為寬16 m、拱頂高12 m；排風(fēng)橫通道斷面尺寸的寬為6 m、高為6 m、全長(zhǎng)150 m．

3.1.2 邊界條件

為了在數(shù)值模擬計(jì)算中得到較好的計(jì)算結(jié)果并節(jié)約計(jì)算時(shí)間，對(duì)近壁面源項(xiàng)區(qū)域、送風(fēng)口區(qū)域等流速、溫度、相對(duì)濕度梯度變化較大的地方進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，主流區(qū)則采用相對(duì)稀疏的六面體網(wǎng)格．同時(shí)，通過對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的無關(guān)性驗(yàn)證，確定計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)量為113萬．為使模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，對(duì)邊界條件進(jìn)行下述設(shè)定：

(1) 通過實(shí)際測(cè)試，隧道四周壁溫基本穩(wěn)定在22℃．則在CFD模擬(Fluent)計(jì)算時(shí)，將壁面設(shè)為定壁溫邊界．

(2) 通過UDF自定義函數(shù)，將壁面散濕量隨室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度的變化以源項(xiàng)SOURCE的方式給定，并在能量源項(xiàng)中設(shè)置壁面水分蒸發(fā)所吸收的熱量．模擬時(shí)，忽略隧道壁面與水膜之間的熱傳導(dǎo)作用，并假設(shè)水分蒸發(fā)吸收的熱量均來自空氣．

(3) 送風(fēng)口采用速度入口邊界，即velocity_inlet．

(4) 出口采用pressure_outlet，邊界上的參數(shù)按實(shí)際情況給定．

3.1.3 布置方案

本文對(duì)施工期水電站地下洞室群除濕設(shè)計(jì)以掌頭區(qū)控制為主，通風(fēng)除濕系統(tǒng)布置如圖10．

圖10 通風(fēng)除濕系統(tǒng)布置方案Fig.10 Ventilation and dehumidification system layout

3.1.4 計(jì)算工況

運(yùn)用數(shù)值模擬計(jì)算無室外新風(fēng)與有室外新風(fēng)兩種條件下的機(jī)械通風(fēng)除濕方式，并對(duì)有室外新風(fēng)條件下的機(jī)械通風(fēng)除濕進(jìn)行了不同室外送風(fēng)狀態(tài)的數(shù)值模擬計(jì)算，主要計(jì)算工況見圖 11所示．采用機(jī)械通風(fēng)除濕模擬時(shí)，隧道內(nèi)初始狀態(tài)為：相對(duì)濕度φ=96%；溫度t=26 ℃；大氣壓B=93 856 Pa．基本通風(fēng)量為排除污染物所需通風(fēng)量，L=1 500 m3/h．

圖11 機(jī)械通風(fēng)除濕模擬工況Fig.11 Mechanical ventilation and dehumidification simulation condition

3.2 無新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)除濕模擬結(jié)果

隧道內(nèi)空氣的相對(duì)濕度分布如圖12，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，掌頭區(qū)甚至整個(gè)隧道內(nèi)濕環(huán)境并未得到有效改善．當(dāng)隧道壁面散濕與排風(fēng)系統(tǒng)排濕達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，隧道內(nèi)空氣的平均相對(duì)濕度為98.7%，與實(shí)測(cè)隧道內(nèi)相對(duì)濕度平均值 96%以上基本相同，如圖13．因此，采用無新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)除濕方案除濕效果較差，不適合該類隧道的除濕．

圖12 隧道內(nèi)相對(duì)濕度分布Fig.12 Relative humidity distribution inside the tunnel

圖13 不同時(shí)刻隧道截面相對(duì)濕度分布Fig.13 Relative humidity distribution of the tunnel section at different time

3.3 有新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)除濕模擬結(jié)果

3.3.1 不同送風(fēng)濕度的模擬結(jié)果

為分析定溫度，不同送風(fēng)濕度條件下機(jī)械通風(fēng)方式對(duì)掌頭區(qū)的除濕效果，模擬了夏季送風(fēng)溫度t=26℃，相對(duì)濕度φ分別為40%、50%、60%、65%、70%幾種工況的機(jī)械通風(fēng)除濕效果，其模擬結(jié)果分別見圖 14(a)、(b)、(c)、(d)、(e)．

圖14(a) t=26℃、φ=40%相對(duì)濕度分布圖Fig.14(a) t=26℃, φ=40%Relative humidity distribution

圖14(b) t=26℃、φ=50%相對(duì)濕度分布圖Fig.14(b) t=26℃, φ=50%Relative humidity distribution

圖14(c) t=26℃、φ=60%相對(duì)濕度分布圖Fig.14(c) t=26℃, φ=60%Relative humidity distribution

圖14(d) t=26℃、φ=65%相對(duì)濕度分布圖Fig.14(d) t=26℃, φ=65%Relative humidity distribution

圖14(e) t=26℃、φ=70%相對(duì)濕度分布圖Fig.14(e) t=26℃, φ=70%Relative humidity distribution

圖 14(a)、(b)、(c)、(d)、(e)顯示，在定溫情況下，隨送風(fēng)相對(duì)濕度減小，掌頭區(qū)的除濕效果越好．通過監(jiān)測(cè)整個(gè)掌頭區(qū)相對(duì)濕度的變化，發(fā)現(xiàn)在定溫條件下，送風(fēng)相對(duì)濕度的大小是決定隧道內(nèi)空氣除濕效果優(yōu)劣的關(guān)鍵因素，見圖15．圖15顯示，在定溫條件下，送風(fēng)的相對(duì)濕度由70%下降到40%，可將隧道內(nèi)掌頭區(qū)濕度從85%控制到64%左右，除濕效果十分顯著．

圖15 掌頭區(qū)平均相對(duì)濕度Fig.15 The average relative humidity of metacarpal head

3.3.2 不同送風(fēng)溫度的模擬結(jié)果

為分析定濕度，不同送風(fēng)溫度條件下機(jī)械通風(fēng)方式對(duì)掌頭區(qū)的除濕效果，模擬了夏季送風(fēng)相對(duì)濕度φ=60%，溫度t分別為24 ℃，25 ℃、26 ℃、28 ℃、30 ℃情況下的機(jī)械通風(fēng)除濕，其模擬結(jié)果分別見圖16(a)、(b)、(c)、(d)、(e)所示，相對(duì)濕度一定，送風(fēng)溫度不相同時(shí)，機(jī)械通風(fēng)方式對(duì)掌頭區(qū)除濕效果不同，通過監(jiān)測(cè)掌頭區(qū)相對(duì)濕度的變化，見圖17，發(fā)現(xiàn)在定相對(duì)濕度情況下，送風(fēng)溫度越高，即含濕量越大，對(duì)掌頭區(qū)除濕效果越差．

圖16(a) t=24℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(a) t=24℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(b) t=25℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(b) t=25℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(c) t=26℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(c) t=26℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(d) t=28℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(d) t=28℃, φ=60%Temperature distribution

圖16(e) t=30℃、φ=60%溫度分布云圖Fig.16(e) t=30℃, φ=60%Temperature distribution

圖17 掌頭區(qū)相對(duì)濕度變化曲線Fig.17 Variation curve of metacarpal head relative humidity

綜上所述，說明通過改變不同送風(fēng)狀態(tài)參數(shù)對(duì)水電站地下洞室群進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)除濕的效果不同．現(xiàn)將上述送風(fēng)定溫度不同濕度以及定濕度不同溫度條件下，通風(fēng)除濕達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的情況總結(jié)見表1、表2．

表1 除濕效果對(duì)比Tab.1 The dehumidifying effect comparison

表2 除濕效果對(duì)比Tab.2 The dehumidifying effect comparison

表1和表2顯示，采用機(jī)械通風(fēng)除濕方案，掌頭區(qū)除濕效果的決定性因素是室外空氣含濕量的大小，室外空氣含濕量越小，除濕效果越好．室外空氣自身的溫度或相對(duì)濕度對(duì)隧道內(nèi)的除濕也有一定影響．表中顯示，對(duì)于一般夏季室外空氣溫度在 24 ～30 ℃之間時(shí)，選擇機(jī)械通風(fēng)方案進(jìn)行除濕設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使相對(duì)濕度低于60%．

4.3.3 不同送風(fēng)量的模擬結(jié)果

本文所模擬隧道的基本通風(fēng)量為排除污染物所需通風(fēng)量，L=1 500 m3/h，為了分析不同送風(fēng)量的除濕效果，分別按基本送風(fēng)量的1.2倍、1.5倍、2倍和 2.5倍進(jìn)行數(shù)值模擬．首先對(duì)室外參數(shù)為t=26 ℃，φ=65%的情況進(jìn)行模擬，模擬穩(wěn)定后隧道掌頭區(qū)平均相對(duì)濕度與送風(fēng)量之間的關(guān)系見圖18．

圖18 掌頭區(qū)相對(duì)濕度變化曲線Fig.18 Variation curve of metacarpal head relative humidity

從圖 18可知：隨著送風(fēng)量的不斷增大，掌頭區(qū)平均相對(duì)濕度不斷降低，說明除濕效果越好．但同時(shí)需要注意不斷增大送風(fēng)量，勢(shì)必會(huì)造成隧道斷面風(fēng)速以及工程造價(jià)的增加．為了得出此送風(fēng)狀態(tài)的最佳送風(fēng)量，將送風(fēng)量與掌頭區(qū)平均相對(duì)濕度按負(fù)指數(shù)型曲線擬合，得出送風(fēng)量與掌頭區(qū)相對(duì)濕度的變化關(guān)系，即

式中，Q為送風(fēng)量，m3/min；φ為除濕后掌頭區(qū)相對(duì)濕度%，式(1)顯示，該函數(shù)為單調(diào)遞減，斜率隨著送風(fēng)量增加而逐漸減小，說明當(dāng)送風(fēng)參數(shù)一定時(shí)，通過增加送風(fēng)量使掌頭區(qū)平均相對(duì)濕度滿足設(shè)計(jì)要求，必定存在最佳送風(fēng)量，該通風(fēng)量即將掌頭區(qū)相對(duì)濕度除到 80%．通過計(jì)算，得出室外溫度t=26 ℃，相對(duì)濕度φ=65%時(shí)的最佳通風(fēng)量為1 750 m3/min．

為了得到不同送風(fēng)狀態(tài)下的最佳通風(fēng)量，本文通過上述計(jì)算方法，得到了室外溫度t=26 ℃，相對(duì)濕度φ分別為40%、50%、60%及70%等不同濕度條件下的最佳通風(fēng)量，其計(jì)算結(jié)果見圖19．

圖19 不同濕度下最佳送風(fēng)量Fig.19 The best air under different humidity

從圖 19可知：送風(fēng)溫度一定時(shí)，送風(fēng)相對(duì)濕度越小，最佳通風(fēng)量越?。罴淹L(fēng)量與送風(fēng)相對(duì)濕度呈指數(shù)變化規(guī)律，利用指數(shù)型函數(shù)對(duì)最佳通風(fēng)量進(jìn)行擬合，得到在送風(fēng)溫度t=26 ℃，不同相對(duì)濕度下對(duì)應(yīng)的最佳通風(fēng)量的關(guān)系式，

式中，Q為送風(fēng)量m3/min；φ為除濕后掌頭區(qū)相對(duì)濕度%，式(2)顯示，送風(fēng)相對(duì)濕度與最佳通風(fēng)量呈指數(shù)變化規(guī)律．當(dāng)送風(fēng)濕度超過65%時(shí)，所需最佳通風(fēng)量急劇增加，可能在實(shí)際工程會(huì)造成風(fēng)機(jī)匹配困難及初投資較高等情況．因此，在實(shí)際工程中應(yīng)綜合送風(fēng)參數(shù)，除濕要求等控制標(biāo)準(zhǔn)，權(quán)衡利弊，綜合考慮，選擇最佳通風(fēng)量進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)除濕．

4 結(jié)論

本文主要對(duì)隧道施工期掌頭區(qū)的無室外新風(fēng)和有室外新風(fēng)的機(jī)械通風(fēng)除濕效果進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1) 采用無室外新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)除濕，無法除去隧道施工期內(nèi)空氣濕度．

(2) 采用有室外新風(fēng)機(jī)械通風(fēng)除濕時(shí)，室外空氣的絕對(duì)含濕量是掌頭區(qū)除濕效果好壞的關(guān)鍵因素，即室外空氣含濕量越小，掌頭區(qū)除濕效果越好．夏季室外空氣溫度為 24 ～30 ℃條件下，建議送風(fēng)相對(duì)濕度不超過60%．

(3) 通過改變送風(fēng)量的數(shù)值計(jì)算表明：送風(fēng)量越大，除濕效果越好．通過計(jì)算得出滿足施工期水電站地下隧道掌頭區(qū)除濕需求的最佳通風(fēng)量，并給出了送風(fēng)溫度t=26 ℃時(shí)，不同相對(duì)濕度下最佳通風(fēng)量的計(jì)算公式，為實(shí)際工程中風(fēng)機(jī)變頻提供參考．

References

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