CN111946613A - 一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,零件包括泵体、圆盘A、圆盘D、隔离罩。在泵体上加工出C型流道、进口流道和出口流道。在圆盘A的B面上加工出圆槽。圆盘A的C面和圆盘D的E面都装有磁体。泵体装入圆盘A的圆槽中,圆盘D的F面连接至驱动源,圆盘A和圆盘D之间装有隔离罩,圆盘D通过旋转磁场带动圆盘A,实现非接触式驱动圆盘A。圆盘A对C型流道中的流体剪切做功,将流体从进口流道输运到出口流道,提高流体压力。基于层流边界层理论,建立了微型圆盘泵主要参数的计算公式。通过本发明,具有设计简单、结构新颖等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,属于微型流体输运系统领域。
背景技术
微型圆盘泵应用于微型传感器、微型分离设备、微型血液输送装置等微型流体输运系统,主要依靠旋转圆盘对流体剪切做功,从而输送一定压力和流量的流体。一些公开文献对微型圆盘泵开展了理论模型、数值模拟、实验研究,但都没有涉及设计方法,而且使用接触式驱动。比如文献《Miniature Single-Disk Viscous Pump(Single DVP),Performance Characterization》(DOI:10.1115/1.2175167)给出了带C型流道的微型圆盘泵的实验模型,但未给出微型圆盘泵的设计方法,而且是接触式驱动圆盘。为解决现存问题,本发明提供一种微型圆盘泵设计方法,利用层流边界层理论设计出微型圆盘泵主要参数,采用旋转磁场驱动圆盘,实现非接触式驱动。
发明内容
本发明的目的就是针对上述存在的问题,提供一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法。
本发明的目的是这样实现的,一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,零件包括泵体、圆盘A、圆盘D、隔离罩。在泵体上加工出C型流道、进口流道和出口流道。在圆盘A的B面上加工出圆槽。圆盘A的C面和圆盘D的E面都装有磁体N极和磁体S极。泵体装入圆盘A的圆槽中,圆盘D的F面连接至驱动源,圆盘A和圆盘D之间装有隔离罩。驱动源带动圆盘D,圆盘D上的磁体产生旋转磁场。圆盘D通过旋转磁场带动圆盘A,使得圆盘A转动,实现非接触式驱动圆盘A。圆盘A对C型流道中的流体剪切做功,将流体从进口流道输运到出口流道,提高流体压力。
首先,根据给定流量Q和给定升压Δp,基于层流边界层理论,设计出C型流道的外径R1、C型流道的内径R2、C型流道的深度b、C型流道的包角α、进口流道的直径D1、出口流道的直径D2、圆盘A的转速ω1、圆盘D的转速ω2。然后,基于旋转磁场,设计出非接触式驱动装置。详细设计方法如下:
S1、选取C型流道的深度比G,其定义为式(一)。
式中,b是C型流道的深度,单位是m。R1是C型流道的外径,单位是m。C型流道深度比的取值范围是0<G≤0.07。
S2、选取进口流道的设计流速v。利用式(二)计算出进口流道的直径D1。
式中,v是进口流道的设计流速,单位是m/s。Q是微型圆盘泵的给定流量,单位是m3/s。D1是进口流道的直径,单位是m。进口流道的设计流速的取值范围是0m/s<v≤1m/s。
出口流道的直径D2与进口流道的直径D1相等。
S3、进口流道与C型流道的内圆外切,进口流道与C型流道的外圆内切。出口流道与C型流道的内圆外切,出口流道与C型流道的外圆内切。式(三)是C型流道的外径R1、C型流道的内径R2、进口流道的直径D1的关系式。
R2+D1-R1=0 (三)
S4、选取C型流道的包角系数Cα,其定义为式(四)。
式中,α是C型流道的包角,单位是rad。C型流道的包角系数的取值范围是0.5≤Cα<1。选取C型流道的包角系数Cα时,也就确定了C型流道的包角值α=Cα·2·π。
S5、选取微型圆盘泵的能量系数η。微型圆盘泵能量系数的取值范围是0.3≤η<1。
S6、联立式(一)、(二)、(三)、(四)和(五),计算C型流道的外径R1和C型流道的内径R2。
式中,Δp是微型圆盘泵的给定升压,单位是。ρ是微型圆盘泵输送介质的密度,单位是kg/m3。υ是微型圆盘泵输送介质的运动粘度,单位是m2/s。
利用S1步骤中选定的深度比G和S6步骤中计算的C型流道的外径R1,计算出C型流道的深度b。
S7、利用式(六)计算圆盘A的转速ω1。
式中,ω1是圆盘A的转速,单位是rad/s。在磁感应驱动下,忽略圆盘D和圆盘A之间的转速差,即圆盘D的转速ω2与圆盘A的转速ω1相等。
S8、验证流态。以C型流道的外径R1为特征长度,以圆盘A的转速ω1为特征速度,根据式(七)计算出雷诺数。
S9、选一个非金属圆柱体作为泵体,按照上述设计参数值,在泵体上加工出C型流道、进口流道和出口流道。
选一个非金属圆柱体作为圆盘A,在圆盘A的B面上加工出圆槽。泵体装入圆盘A的圆槽中,泵体与圆槽是间隙配合。在圆盘A的C面上安放磁体N极和磁体S极,磁体N极和磁体S极周向交替分布。圆盘A的磁体N极的个数和磁体S极的个数相等,圆盘A的磁体N极和磁体S极的总个数不少于6个。
选一个非金属圆柱体作为圆盘D,在圆盘D的E面上安放磁体N极和磁体S极,磁体N极和磁体S极周向交替分布。圆盘D的磁体N极的个数与圆盘A的磁体N极的个数相等,圆盘D的磁体S极的个数与圆盘A的磁体S极的个数相等。圆盘D的F面连接至驱动源。
圆盘A和圆盘D平行布置。圆盘A和圆盘D之间装有非金属隔离罩。
驱动源带动圆盘D,圆盘D上的磁体产生旋转磁场。圆盘D通过旋转磁场带动圆盘A,使得圆盘A转动,实现非接触式驱动圆盘A。圆盘A对C型流道中的流体剪切做功,将流体从进口流道输运到出口流道。
以上是本发明提供的一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法。以下说明式(五)和(六)的推导过程。
假设C型流道内层流的周向速度是轴向线性分布,壁面无速度滑移,根据牛顿内摩擦定律,得圆盘周向局部剪切应力式(八)。
式中,τ是圆盘周向局部剪切应力,单位是Pa。r是径向坐标,单位是m。圆盘对C型流道内的流体做功,功率是转矩和角速度之积,转矩是剪切应力和径向坐标之积,代入式(八),则理论功率写成式(九)。
式中,Pt是圆盘对C型流道内的流体做功的理论功率,单位是W。dA是圆环微元面积,dA=2·π·r·dr,单位是m2。因为圆盘只对C型流道内的流体做功,所以式(九)中有效做功面积是Cα·dA。
实际流动中,圆盘的理论功率不能完全转化为流体的机械能,假设圆盘到流体的能量系数η,再利用给定的设计要求(即给定流量Q和给定升压Δp),得式(十)。
Q·Δp=η·Pt (十)
忽略C型流道内的流体的轴向速度和径向速度,流体的周向速度是轴向线性分布,则微型圆盘泵的理论流量写为式(十一)。
式中,Qt是微型圆盘泵的理论流量,单位是m3/s。利用给定的设计要求(即给定流量Q),得式(十二)。
Q=Qt (十二)
联立式(九)、(十)、(十一)和(十二),得式(五)。联立式(十一)和(十二),得式(六)。至此,式(五)和(六)的推导完成。
综上,本发明提供一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,零件包括泵体、圆盘A、圆盘D、隔离罩。在泵体上加工出C型流道、进口流道和出口流道。在圆盘A的B面上加工出圆槽。圆盘A的C面和圆盘D的E面都装有磁体。泵体装入圆盘A的圆槽中,圆盘D的F面连接至驱动源,圆盘A和圆盘D之间装有隔离罩,圆盘D通过旋转磁场带动圆盘A,实现非接触式驱动圆盘A。圆盘A对C型流道中的流体剪切做功,将流体从进口流道输运到出口流道,提高流体压力。基于层流边界层理论,建立了微型圆盘泵主要参数的计算公式,包括C型流道的外径R1、C型流道的内径R2、C型流道的深度b、C型流道的包角α、进口流道的直径D1、出口流道的直径D2、圆盘A的转速ω1、圆盘D的转速ω2。本发明提供了一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,利用层流边界层理论设计出微型圆盘泵主要参数,采用旋转磁场进行非接触式驱动,具有设计简单、结构新颖等优点。
附图说明
图1为本发明提供的一种微型圆盘泵的剖视图;
图2为泵体的一个方向示意图;
图3为泵体的剖视图;
图4为圆盘A的一个方向示意图;
图5为圆盘A的剖视图;
图6为圆盘D的一个方向示意图;
图7为圆盘D的剖视图;
图中:1泵体、1-1C型流道、1-2进口流道、1-3出口流道、2圆盘A、2-1磁体N极、2-2磁体S极、2-3圆盘A的B面、2-4圆盘A的C面、2-5圆槽、3圆盘D、3-1圆盘D的E面、3-2圆盘D的F面、4隔离罩、5驱动源。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,零件包括泵体1、圆盘A2、圆盘D3、隔离罩4,如图1所示。在泵体1上加工出C型流道1-1、进口流道1-2和出口流道1-3。在圆盘A的B面2-3上加工出圆槽2-5。圆盘A的C面2-4和圆盘D的E面3-1都装有磁体N极2-1和磁体S极2-2。泵体1装入圆盘A2的圆槽2-5中,圆盘D的F面3-2连接至驱动源5,圆盘A2和圆盘D3之间装有隔离罩3。驱动源5带动圆盘D3,圆盘D3上的磁体产生旋转磁场。圆盘D3通过旋转磁场带动圆盘A2,使得圆盘A2转动,实现非接触式驱动圆盘A2。圆盘A2对C型流道1-1中的流体剪切做功,将流体从进口流道1-2输运到出口流道1-3,提高流体压力。基于层流边界层理论,本发明建立的设计步骤包括:
S1、选取C型流道1-1的深度比G,其定义为式(一)。
式中,b是C型流道1-1的深度,单位是m。R1是C型流道1-1的外径,单位是m。C型流道1-1的深度比的取值范围是0<G≤0.07。
S2、选取进口流道1-2的设计流速v。利用式(二)计算出进口流道1-2的直径D1。
式中,v是进口流道1-2的设计流速,单位是m/s。Q是微型圆盘泵的给定流量,单位是m3/s。D1是进口流道1-2的直径,单位是m。进口流道1-2的设计流速的取值范围是0m/s<v≤1m/s。
出口流道1-3的直径D2与进口流道1-2的直径D1相等。
S3、进口流道1-2与C型流道1-1的内圆外切,进口流道1-2与C型流道1-1的外圆内切。出口流道1-3与C型流道1-1的内圆外切,出口流道1-3与C型流道1-1的外圆内切。式(三)是C型流道1-1的外径R1、C型流道1-1的内径R2、进口流道1-2的直径D1的关系式。
R2+D1-R1=0 (三)
S4、选取C型流道1-1的包角系数Cα,其定义为式(四)。
式中,α是C型流道1-1的包角,单位是rad。选取C型流道1-1的包角系数Cα时,也就确定了C型流道1-1的包角值。C型流道1-1的包角系数的取值范围是0.5≤Cα<1。
S5、选取微型圆盘泵能量系数η。微型圆盘泵能量系数的取值范围是0.3≤η<1。
S6、联立式(一)、(二)、(三)、(四)和(五),计算C型流道1-1的外径R1和C型流道1-1的内径R2。
式中,Δp是微型圆盘泵的给定升压,单位是Pa。ρ是微型圆盘泵输送介质的密度,单位是kg/m3。υ是微型圆盘泵输送介质的运动粘度,单位是m2/s。
利用S1步骤中选定的深度比G和S6步骤中计算的C型流道1-1的外径R1,计算出C型流道1-1的深度b。
S7、利用式(六)计算圆盘A2的转速ω1。
式中,ω1是圆盘A2的转速,单位是rad/s。在磁感应驱动下,忽略圆盘D3和圆盘A2之间的转速差,即圆盘D3的转速ω2与圆盘A2的转速ω1相等。
S8、验证流态。以C型流道1-1的外径R1为特征长度,以圆盘A2的转速ω1为特征速度,根据式(七)计算出雷诺数。
S9、选一个非金属圆柱体作为泵体1,按照上述设计参数值,在泵体1上加工出C型流道1-1、进口流道1-2和出口流道1-3。
选一个非金属圆柱体作为圆盘A2,在圆盘A的B面2-3上加工出圆槽2-5。泵体1装入圆盘A2的圆槽2-5中,泵体1与圆槽2-5是间隙配合。在圆盘A的C面2-4上安放磁体N极2-1和磁体S极2-2,磁体N极2-1和磁体S极2-2周向交替分布。圆盘A2的磁体N极2-1的个数和磁体S极2-2的个数相等,圆盘A2的磁体N极2-1和磁体S极2-2的总个数不少于6个。
选一个非金属圆柱体作为圆盘D3,在圆盘D的E面3-1上安放磁体N极2-1和磁体S极2-2,磁体N极2-1和磁体S极2-2周向交替分布。圆盘D3的磁体N极2-1的个数与圆盘A2的磁体N极2-1的个数相等,圆盘D3的磁体S极2-2的个数与圆盘A2的磁体S极2-2的个数相等。圆盘D的F面3-2连接至驱动源5。
圆盘A2和圆盘D3平行布置。圆盘A2和圆盘D3之间装有非金属隔离罩4。
驱动源5带动圆盘D3,圆盘D3上的磁体产生旋转磁场。圆盘D3通过旋转磁场带动圆盘A2,使得圆盘A2转动,实现非接触式驱动圆盘A2。圆盘A2对C型流道1-1中的流体剪切做功,将流体从进口流道1-2输运到出口流道1-3。
设计一个微型圆盘泵,用来输送液体,如图1所示,零件包括泵体1、圆盘A2、圆盘D3、隔离罩4。液体物性是:运动粘度υ=0.0005m2/s,密度ρ=800kg/m3。设计要求是:给定流量Q=1×10-6m3/s,给定升压Δp=500Pa。根据给定设计要求,按照本发明提出的设计方法得到主要参数值,包括C型流道1-1的外径R1、C型流道1-1的内径R2、C型流1-1道的深度b、C型流道1-1的包角α、进口流道1-2的直径D1、出口流道1-3的直径D2、圆盘A2的转速的ω1、圆盘D3的转速ω2,各尺寸标注如图2和3所示。主要参数的设计步骤如下。
S1、选取C型流道1-1的深度比:
S2、选取进口流道1-2的设计流速v=0.0005m/s。利用式(二)计算出进口流道1-2的直径D1:
出口流道1-3的直径D2与进口流道1-2的直径D1相等,则D2=16mm。
S3、如图2所示,进口流道1-2与C型流道1-1的内圆外切,进口流道1-2与C型流道1-1的外圆内切,出口流道1-3与C型流道1-1的内圆外切,出口流道1-3与C型流道1-1的外圆内切。C型流道1-1的外径R1、C型流道1-1的内径R2、进口流道1-2的直径D1的关系式:
R2+D1-R1=0 (三)
S4、选取C型流道1-1的包角系数:
Cα=0.6 (四)
则C型流道的包角α=216°。
S5、选取微型圆盘泵能量系数η=0.7。
S6、联立式(一)、(二)、(三)、(四)和(五),在MATLAB中编程计算。
计算得到:C型流道1-1的外径R1=18mm和C型流道1-1的内径R2=2mm。
利用S1步骤中选定的深度比G和S6步骤中计算的C型流道1-1的外径R1,计算出C型流道1-1的深度b,则有b=0.9mm。
S7、利用式(六)计算圆盘A2的转速ω1:
在磁感应驱动下,忽略圆盘D3和圆盘A2之间的转速差,即圆盘D3的转速ω2与圆盘A2的转速ω1相等,则有ω2=1.394rad/s。
S8、验证流态。以C型流道1-1的外径R1为特征长度,以圆盘A2的转速ω1为特征速度,根据式(七)计算出雷诺数:
该流动为层流,满足本发明的应用范围,因此上述参数可用来设计微型圆盘泵。
S9、选一个非金属圆柱体作为泵体1,按照上述设计参数值,在泵体1上加工出C型流道1-1、进口流道1-2和出口流道1-3,如图2和3所示。
选一个非金属圆柱体作为圆盘A2,在圆盘A的B面2-3上加工出圆槽2-5,如图4和5所示。泵体1装入圆盘A2的圆槽2-5中,泵体1与圆槽2-5是间隙配合,如图1所示。在圆盘A的C面2-4上安放磁体N极2-1和磁体S极2-2,磁体N极2-1和磁体S极2-2周向交替分布,如图4和5所示。圆盘A2的磁体N极2-1和磁体S极2-2的总个数选为6。
选一个非金属圆柱体作为圆盘D3,在圆盘D的E面3-1上安放磁体N极2-1和磁体S极2-2,磁体N极2-1和磁体S极2-2周向交替分布,如图6和7所示。圆盘D3的磁体N极2-1的个数与圆盘A2的磁体N极2-1的个数相等,圆盘D3的磁体S极2-2的个数与圆盘A2的磁体S极2-2的个数相等,即圆盘D3的磁体N极2-1和磁体S极2-2的总个数为6。圆盘D的F面3-2连接至驱动源5。
圆盘A2和圆盘D3平行布置。圆盘A2和圆盘D3之间装有非金属隔离罩4。
驱动源5带动圆盘D3,圆盘D3上的磁体产生旋转磁场。圆盘D3通过旋转磁场带动圆盘A2,使得圆盘A2转动,实现非接触式驱动圆盘A2。圆盘A2对C型流道1-1中的流体剪切做功,将流体从进口流道1-2输运到出口流道1-3。
至此,满足给定流量Q=1×10-6m3/s、给定升压Δp=500Pa的微型圆盘泵设计完成。
Claims (7)
1.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,包括泵体(1)、圆盘A(2)、圆盘D(3)、隔离罩(4);
所述泵体(1)上加工有C型流道(1-1)、进口流道(1-2)和出口流道(1-3);圆盘A的B面(2-3)上加工有圆槽(2-5),圆盘A的C面(2-4)和圆盘D的E面(3-1)都装有磁体N极(2-1)和磁体S极(2-2);泵体(1)装入圆盘A(2)的圆槽(2-5)中,圆盘D的F面(3-2)连接至驱动源(5),圆盘A(2)和圆盘D(3)之间装有隔离罩(4);驱动源(5)带动圆盘D(3),圆盘D(3)上的磁体产生旋转磁场,圆盘D(3)通过旋转磁场带动圆盘A(2),使得圆盘A(2)转动,实现非接触式驱动圆盘A(2);圆盘A(2)对C型流道(1-1)中的流体剪切做功,将流体从进口流道(1-2)输运到出口流道(1-3),提高流体压力;基于层流边界层理论,建立的设计步骤包括:
S1、选取C型流道(1-1)的深度比G,其定义为式(一):
式中,b是C型流道(1-1)的深度,单位是m;R1是C型流道(1-1)的外径,单位是m;
S2、选取进口流道(1-2)的设计流速v;利用式(二)计算出进口流道(1-2)的直径D1:
式中,v是进口流道(1-2)的设计流速,单位是m/s;Q是微型圆盘泵的给定流量,单位是m3/s;D1是进口流道(1-2)的直径,单位是m;
出口流道(1-3)的直径D2与进口流道(1-2)的直径D1相等;
S3、进口流道(1-2)与C型流道(1-1)的内圆外切,进口流道(1-2)与C型流道(1-1)的外圆内切;出口流道(1-3)与C型流道(1-1)的内圆外切,出口流道(1-3)与C型流道(1-1)的外圆内切;式(三)是C型流道(1-1)的外径R1、C型流道(1-1)的内径R2、进口流道(1-2)的直径D1的关系式:
R2+D1-R1=0 (三)
S4、选取C型流道(1-1)的包角系数Cα,其定义为式(四):
式中,α是C型流道(1-1)的包角,单位是rad;选取C型流道(1-1)的包角系数Cα时,也就确定了C型流道(1-1)的包角值α=Cα·2·π;
S5、选取微型圆盘泵能量系数η;
S6、联立式(一)、(二)、(三)、(四)和(五),计算C型流道(1-1)的外径R1和C型流道(1-1)的内径R2;
式中,Δp微型圆盘泵的给定升压,单位是Pa;ρ是微型圆盘泵输送介质的密度,单位是kg/m3;υ是微型圆盘泵输送介质的运动粘度,单位是m2/s;
利用S1步骤中选定的深度比G和S6步骤中计算的C型流道(1-1)的外径R1,计算出C型流道(1-1)的深度b;
S7、利用式(六)计算圆盘A(2)的转速ω1;
式中,ω1是圆盘A(2)的转速,单位是rad/s;圆盘D(3)的转速ω2与圆盘A(2)的转速ω1相等;
S8、验证流态;以C型流道(1-1)的外径R1为特征长度,以圆盘A(2)的转速ω1为特征速度,根据式(七)计算出雷诺数;
S9、选一个非金属圆柱体作为泵体(1),在泵体(1)上加工出C型流道(1-1)、进口流道(1-2)和出口流道(1-3);
选一个非金属圆柱体作为圆盘A(2),在圆盘A的B面(2-3)上加工出圆槽(2-5);泵体(1)装入圆盘A(2)的圆槽(2-5),泵体(1)与圆槽(2-5)是间隙配合;在圆盘A的C面(2-4)上安放磁体N极(2-1)和磁体S极(2-2),磁体N极(2-1)和磁体S极(2-2)周向交替分布;
选一个非金属圆柱体作为圆盘D(3),在圆盘D的E面(3-1)上安放磁体N极(2-1)和磁体S极(2-2),磁体N极(2-1)和磁体S极(2-2)周向交替分布;圆盘D的F面(3-2)连接至驱动源(5);
圆盘A(2)和圆盘D(3)平行布置;圆盘A(2)和圆盘D(3)之间装有非金属的隔离罩(4);
驱动源(5)带动圆盘D(3),圆盘D(3)上的磁体产生旋转磁场,圆盘D(3)通过旋转磁场带动圆盘A(2),使得圆盘A(2)转动,实现非接触式驱动圆盘A(2);圆盘A(2)对C型流道(1-1)中的流体剪切做功,将流体从进口流道(1-2)输运到出口流道(1-3)。
2.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,所述C型流道(1-1)的深度比的取值范围是0<G≤0.07。
3.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,所述进口流道(1-2)的设计流速的取值范围是0m/s<v≤1m/s。
4.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,所述C型流道(1-1)的包角系数的取值范围是0.5≤Cα<1。
5.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,所述微型圆盘泵能量系数的取值范围是0.3≤η<1。
6.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,所述圆盘A(2)的磁体N极(2-1)的个数和磁体S极(2-2)的个数相等,圆盘A(2)的磁体N极(2-1)和磁体S极(2-2)的总个数不少于6个。
7.一种基于层流边界层和旋转磁场的微型圆盘泵设计方法,其特征在于,所述圆盘D(3)的磁体N极(2-1)的个数与圆盘A(2)的磁体N极(2-1)的个数相等,圆盘D(3)的磁体S极(2-2)的个数与圆盘A(2)的磁体S极(2-2)的个数相等。
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- 2020-08-25 CN CN202010861090.9A patent/CN111946613B/zh active Active
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