CH4/Air反擴(kuò)散射流火焰多組分同步PLIF診斷

陳 爽, Lukasz Jan Kapsta, 翁武斌, 蘇 鐵, 涂曉波, Zhongshan Li

(1. 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000; 2. 華沙理工大學(xué) 能源與航空工程學(xué)院 熱能工程研究所, 波蘭 華沙 21/25 00-665; 3. 隆德大學(xué) 燃燒物理系, 瑞典 隆德 S-S22100)

0 引 言

反擴(kuò)散射流火焰(Inverse Diffusion Jet Flame，IDJ)是一種特殊的擴(kuò)散同軸射流火焰，其燃料和氧化劑分布位置剛好與常規(guī)擴(kuò)散火焰相反，即中心區(qū)通氧化劑，燃料分布在外圍。這些差異使得反擴(kuò)散火焰特性和火焰結(jié)構(gòu)有別于常規(guī)的擴(kuò)散火焰。這種火焰結(jié)構(gòu)在工業(yè)中有著典型的應(yīng)用，如一些工業(yè)燃燒器和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，因而有著重要的學(xué)術(shù)和工程研究?jī)r(jià)值[1-2]。此外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室中空氣從主燃孔注入是一種反擴(kuò)散的燃燒形式；燃煤鍋爐中二次風(fēng)進(jìn)入爐膛也是典型的反擴(kuò)散燃燒形式[3]，很多研究都圍繞其展開(kāi)[4-7]。

因此，對(duì)這種火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，尤其是發(fā)展平面激光誘導(dǎo)熒光(Planar Laser-Induced Fluorescence, PLIF)技術(shù)[8]對(duì)其火焰結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化有著重要的意義。另外，就湍流燃燒基礎(chǔ)研究而言，這種火焰結(jié)構(gòu)同時(shí)存在擴(kuò)散燃燒、預(yù)混燃燒以及部分預(yù)混燃燒等模式，對(duì)于研究燃燒化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、燃燒理論模型也有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。

火焰結(jié)構(gòu)和燃燒過(guò)程中間產(chǎn)物分布的精細(xì)化顯示與測(cè)量能夠提供豐富的信息，PLIF技術(shù)能夠獲得主要中間產(chǎn)物(如OH、CH以及CH2O)的二維分布，在燃燒學(xué)相關(guān)研究中一直扮演著重要的角色，其實(shí)時(shí)、非侵入以及高時(shí)空分辨的優(yōu)點(diǎn)使其一直受到關(guān)注。OH自由基分布可以被用來(lái)表征火焰的反應(yīng)區(qū)，而CH2O的分布則被用來(lái)顯示火焰預(yù)熱區(qū)的分布，CH則能顯示火焰鋒面的發(fā)生區(qū)域[9]。作為主要的燃燒場(chǎng)診斷技術(shù)之一，單組分的OH-PLIF、CH-PLIF已經(jīng)相對(duì)比較成熟，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，特別是基礎(chǔ)湍流燃燒實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著重要作用[10]。同時(shí)，在很多工程實(shí)際燃燒器中單組分PLIF技術(shù)也已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[11]，耿輝等利用OH-PLIF研究了超聲速燃燒的火焰結(jié)構(gòu)[12]，陳爽、蘇鐵則發(fā)展了雙色瞬態(tài)OH-PLIF測(cè)溫技術(shù)，對(duì)超聲速燃燒流場(chǎng)進(jìn)行了二維瞬態(tài)溫度分布的測(cè)量[13]。這些工作都反映了國(guó)內(nèi)PLIF燃燒場(chǎng)診斷技術(shù)的研究水平。

多組分同步PLIF瞬態(tài)測(cè)量則能夠呈現(xiàn)火焰多個(gè)區(qū)域(反應(yīng)區(qū)、預(yù)熱區(qū))，獲得更加豐富的信息。Micka等利用OH/CH2O-PLIF同時(shí)成像技術(shù)，研究超聲速燃燒中火焰自點(diǎn)火反應(yīng)區(qū)和主反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明自點(diǎn)火反應(yīng)能夠強(qiáng)化火焰[11]。Zhou等利用OH/CH2O-PLIF同時(shí)成像甲烷/空氣預(yù)混火焰反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在分布式火焰反應(yīng)區(qū)中CH2O分布變寬且能夠出現(xiàn)在整個(gè)火焰內(nèi)側(cè)區(qū)域，OH的分布正好與CH2O的分布互斥[14]，為湍流燃燒CFD建模提供了重要依據(jù)。可見(jiàn)，發(fā)展多組分同步PLIF技術(shù)，特別是采用該技術(shù)對(duì)反擴(kuò)散射流火焰進(jìn)行研究，對(duì)于發(fā)現(xiàn)燃燒現(xiàn)象有著重要意義。目前，國(guó)內(nèi)多組分同步測(cè)量的相關(guān)研究開(kāi)展較少，近年來(lái)才開(kāi)始關(guān)注多組分同步診斷[15]，與國(guó)外在精細(xì)程度、分辨率以及可測(cè)組分種類(lèi)等方面尚有較大差距。

本文針對(duì)反擴(kuò)散射流火焰設(shè)計(jì)了燃燒器，發(fā)展了多組分同步PLIF診斷技術(shù)，并開(kāi)展了OH基化學(xué)發(fā)光成像實(shí)驗(yàn)以及多組分瞬態(tài)PLIF診斷實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 反擴(kuò)散射流燃燒器

根據(jù)反擴(kuò)散射流火焰的研究需要，設(shè)計(jì)同軸射流燃燒器如圖1所示：外環(huán)為低速的氣體燃料通路，直徑(內(nèi)徑)為30mm，中心管道為空氣通路，內(nèi)徑為4mm；為了研究不同的中心射流雷諾數(shù)和流速，設(shè)計(jì)了2個(gè)尺寸的噴嘴可以更換，內(nèi)徑分別為1.6和2mm；噴嘴與外環(huán)出口的孔板固定在一起；外管的孔板由一系列軸對(duì)稱(chēng)均勻分布的小孔組成，一方面用于防止回火，另一方面可以確保中心噴嘴嚴(yán)格處于外管圓心處。

圖1 反擴(kuò)散射流燃燒器設(shè)計(jì)圖

1.2 OH/CH2O/Acetone-PLIF分析

與常規(guī)PLIF系統(tǒng)相比，多組分同步PLIF診斷系統(tǒng)需要集成2套PLIF系統(tǒng)，和雙色瞬態(tài)PLIF測(cè)溫系統(tǒng)類(lèi)似[13]，關(guān)鍵在于不同激光器出射激光的高效合束，并照射同一待測(cè)截面，以及合適的激發(fā)譜線的選取。

對(duì)于OH-PLIF，采用Nd:YAG(Pro-250, Spectra Physics)泵浦染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)后再倍頻的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)激發(fā)譜線的激光輸出；激發(fā)譜線選擇A-X(0,1)躍遷的Q1(6)線(波長(zhǎng)約為282.6nm)。激發(fā)熒光主要位于305～320nm波段的A-X(0,0)帶，因此采用UG11和WG305濾光片阻擋激發(fā)激光的散射信號(hào)。

而CH2O-PLIF可以選用的激光器類(lèi)型較多，不如OH那么集中于280～320nm波段。Harrington和Smyth[16]以及Bauerle等人采用XeF激光輸出353nm激發(fā)A1A2-X1A1帶獲得熒光信號(hào)[17]。Phillps H. Paul則選取201401帶(338nm附近)獲得了10倍以上的熒光強(qiáng)度[18]，但是這種波長(zhǎng)的激光不易獲得。本工作中，對(duì)于CH2O熒光成像選取A-X電子帶，采用355nm激光激發(fā)。雖然355nm不在最強(qiáng)的吸收峰位置(351nm)，但是直接采用Nd:YAG激光器三倍頻即可獲得高能量的脈沖輸出，可以大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。由此，本實(shí)驗(yàn)采用Nd:YAG激光器及三倍頻系統(tǒng)(Quantel，Brilliant B)。

丙酮(Acetone)作為一種大分子物質(zhì)，具有較寬的光譜吸收范圍( 225～320nm)，能被一些常用紫外激光所激發(fā)，產(chǎn)生可見(jiàn)波段( 350～550nm)的熒光信號(hào)。特別是該組分具有較高的飽和蒸汽壓，比較容易隨著流場(chǎng)進(jìn)入射流中，是燃燒場(chǎng)研究中典型的染料示蹤物質(zhì)。本研究工作構(gòu)建了Acetone示蹤系統(tǒng)，通過(guò)在CH4氣路中加入一示蹤裝置，氣化的丙酮隨著氣體進(jìn)入燃燒器，最終顯示CH4的燃燒位置。雖然266nm激發(fā)具有更強(qiáng)的熒光信號(hào)，但是考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，本實(shí)驗(yàn)采用了基于OH激發(fā)的282nm附近的窄線寬激光進(jìn)行激發(fā)。

1.3 多組分同步PLIF系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)由2套激光器、2部ICCD相機(jī)、1組時(shí)序控制器以及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成。利用Nd:YAG(Pro-250, Spectra Physics)泵浦染料激光器(Cobra Stretch-G-2400, Sirah)后再倍頻的方式輸出282.6nm紫外激光，對(duì)應(yīng)OH基A-X(0,1)躍遷的Q1(6)線，脈沖能量為20mJ，脈寬小于10ns。Nd:YAG激光器及三倍頻系統(tǒng)(Quantel，Brilliant B)輸出355nm激光，脈沖能量大于100mJ，脈寬約為8ns。

圖2 多組分同步PLIF成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

Fig.2Schematicoftheexperimentalsetupforsimultaneousmulti-speciesPLIFimaging

2路不同波長(zhǎng)的激光通過(guò)雙色鏡進(jìn)行合束，其中282.6nm激光在鏡面45°入射高反，355nm激光則在鏡片上實(shí)現(xiàn)高透。合束后的激光經(jīng)過(guò)3片柱面鏡組成的光路系統(tǒng)(垂直方向2片，f=-40和400mm，水平方向?yàn)閒=300mm)形成激光片，工作區(qū)域厚度約為0.5mm。2部ICCD相機(jī)(PIMAX I和PIMAX II, 1024pixel×1024pixel)分別置于待測(cè)截面兩側(cè)，對(duì)片光照射平面進(jìn)行成像，采用325±25mm的帶通濾光片實(shí)現(xiàn)OH-PLIF成像熒光信號(hào)選通，GG385濾光片用于CH2O-PLIF成像則是阻擋激發(fā)激光散射。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行Acetone-PLIF時(shí)，采用可見(jiàn)光鏡頭，紫外激光散射不能通過(guò)，因此沒(méi)有增加濾光片。經(jīng)USAF-1951目標(biāo)板測(cè)試，成像分辨率約為100μm。

控制時(shí)序由2部DG535實(shí)現(xiàn)，如圖3所示,283與355nm激光間隔約為200ns，做到2路激光相互不干擾。在200ns的時(shí)間間隔上流場(chǎng)被“凍結(jié)”，可以認(rèn)為是同一時(shí)刻的情況。2個(gè)ICCD分別針對(duì)探測(cè)的熒光信號(hào)打開(kāi)增強(qiáng)器，“Gate”約為100ns，保證熒光信號(hào)的獨(dú)立性。OH/Acetone-PLIF相對(duì)簡(jiǎn)單，單一激光激發(fā)，2個(gè)ICCD同時(shí)曝光，熒光信號(hào)純粹用濾光片隔離。

圖3 OH/CH2O-PLIF和OH/Acetone-PLIF時(shí)序示意圖

Fig.3SynchronizationschemeofOH/CH2O-PLIFandOH/Acetone-PLIF

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 火焰基本形貌

本工作中，首先采用化學(xué)自發(fā)光OH*對(duì)火焰形貌進(jìn)行顯示。帶通濾光片(320±20nm)置于ICCD相機(jī)(PI-MAX2，1024pixel×1024pixel)前，保證只有OH自由基的化學(xué)發(fā)光(OH*chemiluminescence)能被相機(jī)采集，幀頻5Hz，單幀曝光時(shí)間500μs。空氣和CH4氣路均采用質(zhì)量流量計(jì)(Bronkhorst)進(jìn)行控制，具體的流量參數(shù)如表1所示，其中表征火焰湍流度的Re*由公式確定[11]。圖4為對(duì)應(yīng)不同條件下的火焰形貌——100次單幀OH*成像的平均結(jié)果。

從OH*圖像可以清晰看出IDJ火焰由基礎(chǔ)火焰(Base flame)和主火焰(Main flame)2部分構(gòu)成，我們將明顯的分界定義為火焰頸部(Flame neck)。這種火焰形貌是由IDJ火焰的結(jié)構(gòu)造成的，基礎(chǔ)火焰為典型的層流擴(kuò)散燃燒，是由外環(huán)低速的CH4氣流產(chǎn)生，火焰呈錐形結(jié)構(gòu)，黃色的火焰發(fā)光可以判斷為典型的擴(kuò)散燃燒時(shí)大量的積碳(Soot)導(dǎo)致。主火焰則是由中心的空氣射流產(chǎn)生的湍流火焰，由于高速的空氣卷吸未反應(yīng)的CH4氣體，火焰呈藍(lán)色，為典型的部分預(yù)混火焰。這種火焰結(jié)構(gòu)中，基礎(chǔ)火焰為主火焰提供一個(gè)高溫環(huán)境，起到引導(dǎo)火焰(Pilot)的作用，可以實(shí)現(xiàn)高湍流度主火焰的穩(wěn)定。

此外，對(duì)比圖4(a)～(d)以及(j)～(l)不同工況條件下的OH*圖像可知，通過(guò)改變中心射流空氣的速度而維持協(xié)流CH4速度不變，主流空氣速度大于66.31m/s后會(huì)出現(xiàn)本地熄火(Local extinction)，最終發(fā)生吹熄(Blow off)。這是由于隨著中心射流速度變大，空間中大量的冷空氣被卷吸進(jìn)入，最終不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)焰；此外，錐形的主火焰會(huì)逐漸變小，可以理解為中心射流帶走了大量的CH4，使得層流擴(kuò)散散射的基礎(chǔ)火焰中發(fā)生反應(yīng)的CH4不斷減小，從而火焰錐變小，這符合擴(kuò)散層流火焰特性。對(duì)于圖4(c)～(i)，在不改變中心射流速度的條件下，不斷增加協(xié)流的速度，可以看出基礎(chǔ)火焰形貌保持不變而主火焰高度不斷增加。這是由于更多未反應(yīng)的CH4氣體被中心射流空氣帶到了下游，整體火焰處于富燃狀態(tài)，依然可以維持燃燒，表現(xiàn)出部分預(yù)混火焰的特點(diǎn)。不過(guò)通過(guò)OH*來(lái)研究IDJ火焰的形貌并不能得到更多細(xì)致的信息，因此需要對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)多組分PLIF測(cè)量。

2.2 多組分PLIF瞬態(tài)同步測(cè)量

為了更好研究反擴(kuò)散射流火焰的火焰結(jié)構(gòu)，針對(duì)典型3個(gè)工況(c、f和j)開(kāi)展了多組分PLIF瞬態(tài)同步測(cè)量實(shí)驗(yàn)。采用OH/Acetone-PLIF得到的OH基與氣態(tài)Acetone分子熒光瞬時(shí)圖像如圖5所示，采用OH/CH2O-PLIF得到的OH基與CH2O基的熒光瞬時(shí)圖像如圖6所示。需要指出的是：圖中的色標(biāo)只是表征熒光信號(hào)的強(qiáng)弱，能夠用于反應(yīng)自由基的空間分布，并不能完全對(duì)應(yīng)于絕對(duì)的濃度信息；照射流場(chǎng)的片光因?yàn)榧す馄鞒錾涔獍叩南拗疲](méi)有進(jìn)行歸一化校準(zhǔn)，在運(yùn)行中會(huì)因?yàn)楣獍吣芰糠植嫉牟痪鶆蚨鴮?dǎo)致熒光信號(hào)強(qiáng)度的差異。

表1 不同工況條件下的參數(shù)Table 1 Parameters at various cases of IDJ flame

圖4 不同條件下IDJ火焰OH*成像結(jié)果

圖5 工況c/f/j反擴(kuò)散射流火焰OH/Acetone-PLIF同時(shí)測(cè)量的瞬態(tài)圖像

圖6 工況c/f/j下反擴(kuò)散射流火焰OH/CH2O-PLIF同時(shí)測(cè)量的瞬態(tài)圖像

工況c、f和j分別對(duì)應(yīng)弱湍流燃燒、強(qiáng)湍流燃燒和吹熄(Blow off)3種典型火焰。首先，與圖4測(cè)得的OH*顯示火焰結(jié)構(gòu)一致，在火焰的底部有一個(gè)明顯的錐形火焰區(qū)即基礎(chǔ)火焰(Base flame)，這是一個(gè)典型的層流擴(kuò)散火焰形貌。隨著內(nèi)外流速的比值Rv(Velocity ratio)增大，基礎(chǔ)火焰錐不斷“塌陷”，高度降低、錐頂角變大；這是因?yàn)榇罅康腃H4被中間的空氣射流帶入了下游，使得構(gòu)成基礎(chǔ)火焰層流擴(kuò)散燃燒的純CH4流量減小，最終導(dǎo)致火焰錐高度減小。

從圖5和6中都可以看出，Case c中OH基呈條狀分布，且在火焰的外側(cè)，這與OH化學(xué)發(fā)光顯示的結(jié)果一致。這是反擴(kuò)散火焰的特點(diǎn)，與預(yù)混以及擴(kuò)散射流火焰不太一樣，存在2個(gè)火焰面。當(dāng)中心射流速度增大，湍流度隨之升高，這種條狀結(jié)構(gòu)被破壞：內(nèi)外火焰面出現(xiàn)很多褶皺和卷曲，局部OH分布呈現(xiàn)出不連續(xù)分布且變厚，火焰面被嚴(yán)重撕裂。進(jìn)一步提高中心射流速度，由于更強(qiáng)烈的湍流作用，OH分布變得不再連續(xù)，甚至發(fā)生熄火。在下游會(huì)發(fā)生自點(diǎn)火，零星存在一些孤立的OH“島”。

Acetone代表了燃料CH4在流場(chǎng)中的分布，如圖5所示,其主要分布在火焰中心，在噴嘴出口中心射流位置空氣迅速與協(xié)流CH4發(fā)生摻混。當(dāng)Vr(Velocity ratio)較低時(shí)(Case c)，燃料被很好地約束在火焰內(nèi)側(cè)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)燃料被迅速消耗；隨著內(nèi)外流速比值的增大，中心未摻混的純空氣分布區(qū)域不斷減小，而燃料也穿過(guò)被撕裂的反應(yīng)面向外擴(kuò)散；當(dāng)火焰發(fā)生吹熄時(shí)(Case j)，Acetone消耗較小，向外擴(kuò)散進(jìn)一步加劇。

CH2O基作為火焰預(yù)熱區(qū)的重要指示物，存在區(qū)域更貼近反應(yīng)區(qū)，所以在射流中心位置沒(méi)有CH2O存在。在反應(yīng)發(fā)生區(qū)域，OH與CH2O在空間呈現(xiàn)互補(bǔ)分布，這從圖6中的Case c可以看出；即使在Vr較大時(shí)(Case f)，這種互補(bǔ)也存在，即在OH大量存在的區(qū)域，CH2O會(huì)表現(xiàn)出一個(gè)空白區(qū)域；但是在發(fā)生吹熄時(shí)(Case j)，CH2O仍然會(huì)低密度存在，與之前的“互補(bǔ)”特性并不相符，特別是在未發(fā)生燃燒的下游區(qū)域。這是因?yàn)橄掠蔚腃H2O分布并不是由反應(yīng)面擴(kuò)散而來(lái)，而是基礎(chǔ)火焰產(chǎn)生的大量CH2O被中心射流帶到了下游。

從同步PLIF診斷的結(jié)果來(lái)看，湍流燃燒的main flame中CH2O分布于OH內(nèi)側(cè)，并不存在典型擴(kuò)散火焰的2個(gè)火焰面結(jié)構(gòu)；其基本形態(tài)類(lèi)似于Sandia發(fā)布的部分預(yù)混擴(kuò)散火焰flame D[19]。這可以理解為在Base flame內(nèi)部由于空氣射流的卷吸作用，燃料與空氣快速摻混，典型反擴(kuò)散火焰結(jié)構(gòu)被改變。而整個(gè)實(shí)驗(yàn)工況中，當(dāng)量比比較高(>3)，超出了預(yù)混可燃極限，所以下游火焰主要呈現(xiàn)了擴(kuò)散火焰模式。

圖7 OH(綠)、丙酮(藍(lán))和CH2O(紅)同時(shí)成像表征的火焰結(jié)構(gòu)

Fig.7Thelocalstructuresofthreesimultaneouslymeasuredspecies,OH(green),acetone(blue)andCH2O(red)

另外，圖7為Case c(圖像最下端距射流出口40mm)某一時(shí)刻多組分同步PLIF測(cè)量結(jié)果的空間疊加細(xì)節(jié)圖，不同顏色代表不同組分(OH為綠色，丙酮為藍(lán)色，CH2O為紅色)。可以看出，OH與CH2O有著良好的空間互補(bǔ)特性，CH2O較Acetone更貼近火焰面或反應(yīng)區(qū)；OH與Acetone存在一個(gè)“gap”。從細(xì)節(jié)圖可以看出，2種組分還有一些重合的細(xì)微區(qū)域，這是2臺(tái)ICCD成像時(shí)空間校準(zhǔn)所引入的誤差，在Y方向估計(jì)有1mm的偏移。

3 結(jié) 論

本文建立了OH/CH2O/Acetone多組分同步PLIF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)由2套激光器、2部ICCD相機(jī)、1組時(shí)序控制器以及光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)不同組分物質(zhì)分子有效激發(fā)策略、時(shí)序控制方法以及雙ICCD成像技術(shù)進(jìn)行了分析，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)火焰反應(yīng)區(qū)、預(yù)熱區(qū)以及燃料分布區(qū)域等火焰結(jié)構(gòu)信息的瞬態(tài)測(cè)量及可視化。并基于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)反擴(kuò)散射流火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)比化學(xué)發(fā)光成像和瞬態(tài)多組分PLIF圖像，可以看出該火焰形式既不同于傳統(tǒng)的預(yù)混火焰，也不同于常規(guī)的擴(kuò)散火焰。這種反擴(kuò)散火焰的燃燒器設(shè)計(jì)在低速時(shí)具有較為典型的反擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，在中心空氣射流較大的情況下卻更多表現(xiàn)為部分預(yù)混的擴(kuò)散火焰，類(lèi)似于Sandia實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的flame D的情況。研究結(jié)果表明，較之OH*的化學(xué)發(fā)光成像，多組分PLIF結(jié)構(gòu)更能準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)火焰的基本形態(tài)和燃燒模式，在基礎(chǔ)燃燒和工業(yè)研究中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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