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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2022年, 第62卷, 第6期 上一期    下一期
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    专刊:公共安全
    城市综合管廊燃气爆炸传播特性实验研究  收藏
    吴建松, 蔡继涛, 赵亦孟, 操阅, 周睿, 庞磊
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 987-993.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.018
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7359KB)
    随着中国城镇化建设的快速发展,容纳天然气、供热、给水、电力等多种市政管线于一体的综合管廊已成为保障城市“生命线”运行的重要基础设施。天然气管线作为其中最具威胁的危险源,一旦发生泄漏极易在管廊受限空间内形成易燃易爆气体云,给综合管廊安全运行带来巨大的爆炸风险。为揭示多因素影响下综合管廊复杂受限空间内燃气爆炸传播特性,有效支撑管廊燃气爆炸事故后果评估及安全防护需求,该文使用自主研制的综合管廊燃气爆炸实验系统研究了甲烷体积分数、泄压口和舱内附属设施(燃气管道、配电箱、灭火箱等)对火焰传播过程和超压分布的影响。结果表明:甲烷体积分数为9.5%时爆炸超压达到峰值;与封闭管廊模型相比,综合管廊预设的通风口可以起到较强的泄压作用,超压峰值衰减率达28.4%;燃气舱内附属设施会加速火焰传播过程并导致更大的超压峰值。该研究能为提升综合管廊天然气舱的防灾减灾能力提供理论和技术支撑。
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    有坡度下点源持续泄漏溢油流淌火扩散特性实验研究  收藏
    孙潇潇, 黄弘, 赵金龙, 章翔, 宋广恒
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 994-999.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.022
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (4458KB)
    有坡度下持续泄漏溢油流淌火的特性研究可以为溢油流淌火灾事故的预防和救援提供重要理论支撑。该文通过点源持续泄漏溢油流淌火实验,观测了不同坡度下持续溢油流淌火的扩散和燃烧过程,并测量了扩散速率。根据实验中是否观察到稳定过程与收缩过程,将溢油流淌火的扩散过程随坡度的变化划分为3个阶段。通过分析扩散过程中重力、摩擦阻力与表面张力随角度的关系,对于玻璃表面上的正庚烷流淌火,3个阶段可以划分为坡度为0°~3°时表面张力主导的扩散过程、坡度为4°~5°时摩擦阻力主导的扩散过程以及坡度大于5°时重力主导的扩散过程。
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    接触不良引发发光连接的动态变化  收藏
    张晶, 陈涛, 黄丽达, 苏国锋, 孙占辉, 陈建国
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1000-1009.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.034
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (15122KB)
    接触不良引发的发光连接温度高、隐蔽性强、普遍产生于电气线路中,是诱发电气火灾的重要引燃热源之一,涉及铜氧化、传热、电场间的复杂耦合与相互作用。为探究发光连接产生过程中关键参数的动态变化,该文通过构建发光连接实验平台,测得铜氧化物桥生长速率、电阻增大速率和温度,揭示了铜氧化物、电阻和温度相互作用规律。实验结果表明:铜氧化物桥长度和电阻均随时间线性增大;温度先升高,最终稳定在1 400~1 600℃;随电流增大,铜氧化物桥生长速率增大,生长持续时间延长,电阻增大速率先增大后减小。接触不良引发发光连接是氧化程度加深、铜氧化物电阻率随电流改变、铜氧化物热容随温度变化等共同作用的结果。
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    形状记忆智能织物系统热防护性能评价  收藏
    潘梦娇, 王丽君, 卢业虎, 柳素燕
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1010-1015.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.020
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3271KB)
    为提升热防护服的防护性能,该研究基于形状记忆合金丝,开发了10种形状记忆织物,并构建适用于热防护服的温度响应型智能织物系统,探究相邻合金丝间距、形状记忆织物密度和芳纶纱线种类3个因素对形状记忆智能织物系统热防护性能的影响。结果表明:智能织物系统相较于传统热防护织物系统显著降低了织物内表层的温升速率,延长了温升12℃和温升24℃的时间。当合金丝间距为2 cm且使用芳纶1414织造的形状记忆织物纬密为20根/cm时,形状记忆智能织物系统的热防护性能最优。
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    基于系统机能曲线的城市道路公共交通系统韧性评估方法  收藏
    陈长坤, 何凡, 赵冬月, 谢明峰
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1016-1022.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.025
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2022KB)
    为科学定量评估城市道路公共交通系统韧性,构建了基于系统机能曲线的城市道路公共交通系统韧性评估模型,并提出了一种量化系统韧性的方法。模型中包含公交车系统和出租车系统两个维度,并采用城市公交车服务率和出租车在线率来表征其系统机能,能够综合评估城市道路公共交通系统韧性。用该方法对2021年郑州特大暴雨灾害中的道路公共交通系统韧性进行了计算分析。评估结果表明:郑州市道路公共交通系统处于中等韧性水平,且不同的恢复方案对系统的恢复力和适应力均会产生影响。所建立的模型能够描述系统从受到扰动至达到新的平衡状态各个段的机能水平,从而定量计算城市道路公共交通系统韧性。该方法适用于单一灾害作用情景和多种灾害耦合作用情景,可为提升城市道路公共交通系统应对不确定性扰动的能力提供参考。
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    不同外部辐射热流下小尺寸原木燃烧特性实验研究  收藏
    胡皓玮, 祁桢尧, 时敬军, 纪杰
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1023-1030.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.035
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (12945KB)
    木材因其优异的隔热性能、力学强度和观赏价值而被广泛应用于建材、家具和工艺品中。作为一种可燃材料,木材的燃烧过程会经历热解、点燃、炭化与开裂。目前对于木材燃烧特性的研究,样本通常选用均质的人造板材或避开缺陷的原木。但实际情况下,不同树种结构各异,制备而成的原木板表面的纹理分布不均匀,同时原木中还存在木节等结构缺陷,这些因素都可能影响原木板材的燃烧过程。该文在火焰蔓延量热仪下开展小尺寸原木板材燃烧实验,使用3种树种(辐射松、白松、杉木)的原木,比较了不同外部辐射热流下原木的燃烧特性,获得了不同树种的典型燃烧行为、热释放速率曲线和点燃特性。结果表明,不同树种、不同纹理、结构缺陷(木节)会影响原木的燃烧行为。随着外部辐射热流的增加,原木的点燃时间缩短,热释放速率峰值增加。在该文实验工况范围内,外部辐射热流15 kW/m2时原木点燃时间的重复性差异最大约35%,高于均质人造板材,体现了原木结构非均质性对其燃烧特性的影响,但这一差异随外部辐射热流的增加而减小。对于同一树种,疏、密纹理样本的燃烧特性存在差异,辐射松疏、密纹理原木点燃时间差值最大可达500 s以上,且平行于纹理方向上的炭化速率高于垂直于纹理方向上的。杉木中含有大量木节,低外部辐射热流条件下木节的存在会导致点燃时间缩短、热释放速率峰值增加。
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    小尺度乳化柴油池火的沸腾燃烧特性实验研究  收藏
    杨慎林, 普方, 李满厚, 王昌建
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1031-1036.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.021
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (6280KB)
    使用乳化柴油是实现发动机节油减排的重要方式,而含水率是影响乳化柴油燃烧效率的关键因素。为了预防乳化柴油泄漏火灾并减少人员伤亡和财产损失,该文采用直径为150 mm的不锈钢油盘,实验研究了含水率分为0%、5%、10%、15%和20%的油包水(W/O)型乳化柴油池火的燃烧和沸腾特性。根据燃烧速率和火焰高度的变化情况,将乳化柴油燃烧过程划分为初始增长阶段、沸腾燃烧阶段、脉动阶段、稳定燃烧阶段和熄灭阶段,其中前3个阶段的燃烧有水参与,而后2个阶段的燃烧特性与0#柴油池火的稳定燃烧阶段和熄灭阶段基本一致。随着含水率的增加,沸腾燃烧阶段和脉动阶段的时间呈“增加—稳定—增加”的趋势,而稳定燃烧阶段的时间呈“减少—稳定—减少”的趋势。乳化柴油池火燃烧过程出现了沸腾燃烧并导致火焰高度下降现象。该研究有助于乳化柴油泄漏火灾的风险评估。
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    考虑电池产热的多孔介质复合相变材料的传热性能  收藏
    刘梓标, 林俊江, 李和鑫, 黄天娇, 徐文彬, 庄依杰
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1037-1043.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.016
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5718KB)
    高能量密度电池作为新能源汽车的主要能源,其热安全问题受到学者们的广泛关注,而电池热管理系统能有效防止电池热失控。该文基于相变热管理技术原理,构建多孔介质复合相变材料(CPCM)的传热与电池产热的耦合模型,利用数值算法与粒子图像测速技术(PIV)相结合的研究方法,开展了多孔介质复合相变材料中锂离子电池的产热规律及复合相变材料的传热性能研究。结果表明:多孔介质可以有效地加速相变材料的熔化进程;复合相变材料可以减缓电池温度的上升速率;电流强度对热管理系统的熔化进程、储热量以及储热效率有明显影响。复合相变材料可以提高电池内部散热效率从而减缓电池温度的上升。当考虑双体电池模型时,应尽可能在电池间保持一定的空间,从而有利于电池热管理系统的散热。
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    人员移动对患者呼出病毒颗粒传播影响的数值研究  收藏
    吴家麟, 翁文国, 付明
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1044-1051.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.031
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (18333KB)
    许多呼吸道传染病(如新型冠状病毒肺炎)同时具有飞沫传播和气溶胶传播的特点,人员移动会影响病毒颗粒的传播路径。该文使用具有真实人体形状的三维数值模型,采用计算流体动力学(CFD)方法研究了人员移动对患者呼出病毒颗粒传播的影响,分析了气流、气压和颗粒扩散的瞬态变化特性,并通过实验数据进行了对比验证。结果表明:在通风不良的室内,移动者以1 m/s从坐姿患者身旁经过时,尾流速度峰值可达1.6~2.0 m/s,横向距离0.10、0.25、0.55 m外的气流速度峰值分别达到0.53、0.22、0.13 m/s,室内气流波动持续时间可能超过10 s;附近区域气流速度呈现双峰特点;移动导致的局部气压差(0.49 Pa)引起卷吸气流,促使病毒颗粒被带入移动者尾流,并减缓了重力主导的近距离沉降,导致超过50%的病毒颗粒沉积在移动者表面或扩散到远处。据此建议在疫情流行地区采取减少跨区域走动、佩戴口罩、个性化通风等措施。
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    基于声发射监测的滑坡过程预警模型  收藏
    陈杨, 邓李政, 黄丽达, 陈涛, 陈建国, 袁宏永
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1052-1058.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7133KB)
    滑坡是一种多发于山区的地质灾害,严重威胁隐患点周围群众的生命财产安全,急需针对滑坡建立及时、准确的监测预警系统。该文在已有的滑坡声发射监测技术和变形过程预警模型基础上,对比研究声发射和位移监测参量。基于小波变换和改进切线角方法,建立了基于声发射监测的滑坡过程预警模型。利用英国拉夫堡大学实验室模拟数据,初步验证了所建立的声发射预警模型的可靠性。在广东省连南县特大型滑坡隐患点安装监测设备,获取边坡现场变形监测数据,比较了声发射和位移监测的实际预警效果。结果表明:相较于位移参量,声发射参量在预警稳定性和准确性上均表现更好。
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    -10℃~5℃低温环境下体育锻炼人员人体热反应关键参数的实验研究  收藏
    陈飞宇, 付明, 申世飞, 李亚运, 郭贤
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1059-1066.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.033
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2527KB)
    低温环境中,人体热反应规律研究是人员热安全与热舒适评价的基础。现有研究的对象尚局限于低运动强度的低温暴露人员,缺少针对冬季体育锻炼人员的研究。为研究体育锻炼人员在低温环境下的人体热反应规律及其影响机理,该文在环境舱中开展人体实验,考虑5、0、-5和-10℃的低温条件及2.57 clo和1.34 clo两种冬季运动着装条件,对6名体育锻炼男性青年的皮肤温度、核心温度、热感觉等热反应关键参数进行了测量。结果表明:人体平均皮肤温度及局部皮肤温度受到环境温度的线性影响,拟合斜率随服装保暖性能的提升而减小;人体核心温度变化速率与人体热积累速率成线性关系,拟合斜率随服装保暖性能的提升而增大;人体热感觉在中低运动强度下受到环境温度与着装影响,而在高运动强度下影响不显著;且体育锻炼人员的热感觉未表现出与生理温度间的统计相关性。基于实验结果为低温环境下体育锻炼人员的服装选择提出了建议。该研究可为体育锻炼人员的热安全、热舒适、运动能力及服装性能评价提供参考。
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    基于熵权灰色关联度分析的暴雨洪涝灾情评估方法  收藏
    陈长坤, 孙凤琳
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1067-1073.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.024
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7149KB)
    洪涝灾害造成的危害广泛且复杂,合理的洪涝灾害灾情评估方法是制定有效防灾减灾措施的关键手段。根据《洪涝灾情评估标准》(SL579—2012),结合死亡人口、受灾人口、农作物受灾面积、直接经济损失、倒塌房屋、水利设施经济损失等关键影响因素,建立了洪涝灾害评价指标。综合灰色关联度分析法和熵权法,提出一种针对暴雨洪涝灾情的分级评估方法,并以2014—2018年的全国年度洪灾数据为例进行应用,结合评估结果和实际情况,提出了暴雨洪涝灾害防灾减灾工作的建议。结果表明:全国暴雨洪涝灾情熵权-灰色关联度数值高的区域集中在东南区域和西北区域,防洪防涝工作重点分别在城市防洪和沙漠防洪;2016年全国暴雨灾情熵权-灰色关联度分级属于较大洪涝灾害年。
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    膨胀阻燃热塑性聚氨酯复合材料的制备与性能  收藏
    赵小龙, 周海涛, 周斯琛, 方炜, 丁旗
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1074-1080.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.037
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7340KB)
    以热塑性聚氨酯(TPU)为基底,以聚磷酸铵(APP)、氰尿酸三聚氰胺(MCA)和硼酸为复合改性剂,制备了一种环保型膨胀阻燃TPU复合材料。通过锥形量热仪和烟密度测试对复合材料的燃烧、抑烟和热稳定情况进行了研究,结果表明: APP/MCA/硼酸阻燃体系可降低复合材料热释放速率峰值(最高降幅达到约80%)和总热释放量,促进了致密炭化层的生成,有效抑制了挥发组分的生成。极限氧指数(LOI)结果表明:阻燃体系提高了LOI;添加质量分数15% APP、2.5% MCA、2.5%硼酸的TPU复合材料的LOI最高,达到了32%,该样品达到了最高的UL-94等级。热重分析结果表明TPU复合材料具有更好的热稳定性。APP、MCA、硼酸对膨胀阻燃TPU复合材料具有抑烟和阻燃的作用。
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    恶劣环境条件下海外天然气管道站场事故演化知识图谱建模及预警方法  收藏
    陈传刚, 胡瑾秋, 韩子从, 陈怡玥, 肖尚蕊
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1081-1087.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.017
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (7671KB)
    近年来恶劣环境条件(雷电、风、雨)频发,给长输油气管道尤其是海外油气管道的长期安全运行带来了重大威胁。海外油气管道的运行与应急救援面临着恶劣环境条件下的管道风险事故数据不足、跨国协同较为困难等问题。为解决当前管道事故预警模型过于依赖现场运行数据或事故相关数据的情况,该文利用恶劣环境条件下的天然气管道站场有限的事故文本数据,提出了一种基于知识图谱的站场事故演化预警模型。该模型采用双向长短期记忆网络-条件随机场算法(Bi-LSTM-CRF)对站场事故文本进行因果关系抽取,并加入了文本特征以增强抽取效果,然后利用Neo4j图数据库根据因果关系抽取的结果,建立了恶劣环境条件下海外天然气管道站场事故演化知识图谱。结果表明:相较于传统长输管道站场事故预警方法,该文所提出的基于知识图谱的站场事故预警模型不仅能够实现站场事故的预警,还能够实现对事故的路径预测以及事故应急决策推荐。这证明了该预警模型不仅可用性好,还能够有效地帮助海外天然气管道站场安全管理人员进行准确的风险控制与事故预防。
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    基于点状火源的秸秆火焰蔓延及燃烧特性  收藏
    杜伟, 程海涛, 邹彪, 任伟达, 朱晓康, 李聪
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1088-1093.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.019
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9529KB)
    该文开展了圆柱形堆积秸秆的燃烧实验,测量并研究了不同堆积直径和堆积厚度条件下秸秆火焰发展蔓延过程、火焰结构、秸秆质量损失以及火焰温度等,推导并建立了关于质量损失速率()、无量纲火焰温度的定量模型。结果表明:秸秆燃烧过程中随着燃烧区域的扩大,火焰结构会依次出现中空的锥形火焰、分离的环形火焰以及断裂的环形火焰形态;秸秆质量损失速率呈现先增加后减少的趋势,其峰值与秸秆初始质量具有良好的线性关系,表明秸秆的初始质量越大越有助于燃烧过程的热量积累;火焰轴心温度也呈现先增大后减小的趋势,无量纲火焰温度与(z-z0-2/5具有幂函数关系,随(z-z0-2/5增加呈现不同斜率的线性下降趋势,其中z-z0为火焰相对高度。该研究结论有助于加深对秸秆火灾发展蔓延过程的认识。
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    丙烷喷射火焰中电极形状对间隙击穿特性的影响  收藏
    杨皓元, 水凯, 王振华, 陈思怡, 尤飞, 张云
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1094-1101.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.036
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (6953KB)
    高压输电导线作为输电系统的核心部分,一旦发生火灾将可能造成严重的后果。目前针对电极形状对输电线路间隙击穿的定性定量研究较少。该文利用30 kV·A/50 kV高压工频放电系统、丙烷喷射模拟火源以及棒/板2种不同形状电极,从击穿电压、击穿极性特征、击穿电弧特征3个方面研究了火焰条件下电极形状对间隙击穿特性的影响。研究发现,火焰条件下间隙距离小于8.0 cm时击穿波形具有“两期两点”特征,即击穿前“放电诱导期”、临界击穿时“间隙击穿点”、击穿产生电弧后“电弧导通期”、电弧阶段性消失时“击穿消失点”。通过设置不同间隙距离,测量不同电极组合的平均击穿电压和平均击穿场强,发现随间隙距离增大,棒-棒和棒(阴)-板(阳)电极击穿电压值增加速率分别为最低和最高。相较于空气间隙击穿,火焰条件下由于存在火焰流场和热浮力,间隙击穿具有更明显的极性特征,不同电极形状会影响正负周期形成导电通道的概率。击穿方向为正周期时,棒(阴)-板(阳)电极组合击穿概率最大,击穿方向为负周期时,棒(阳)-板(阴)电极组合击穿概率最大。研究结果表明:击穿电弧演变过程可分为导通阶段、燃烧阶段和熄灭阶段,火焰条件下电弧体积明显增大,向上漂移程度更剧烈,且火焰流场和热浮力会改变电极预设放电位置。该研究对山火防治以及山区高压电网的安全运行具有重要意义。
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    基于GIS位置分配的城市应急避难场所责任区划分  收藏
    吕伟, 李承旭, 马亚萍
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (6): 1102-1109.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.032
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (12024KB)
    城市应急避难场所责任区划分对提高灾民疏散效率和保障灾民生命安全具有重要意义。该文综合考虑路网可达性、避难场所建设成本和承载容量等多因素,耦合地理信息系统(GIS)位置分配中的最小化设施点模型和最大化有容量限制的覆盖范围模型,构建城市应急避难场所选址和责任区划分方案,并以昆明市中心区域为例进行实证分析与模型验证。结果表明:研究区域的应急避难场所数量存在最优值,根据政府建设成本最小及避难需求分配区域利用率最高,确立了研究区域最佳应急避难场所为9个;政府需要对篆塘公园进行容量扩建,并将五华广场和胜利广场一同启用,才能使整个研究区域的避难服务效果达到最佳;其对应的避难场所责任区可划定为8个。该研究结果可对城市突发事件应急决策和救援提供支持。
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