CN114495651A - 一种内波实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及内波制造技术领域，具体涉及一种内波实验装置，包括槽体，槽体内设置第一滚筒和第二滚筒，第一滚筒与第二滚筒间隔一定距离，第一滚筒位于第二滚筒的正上方；第一滚筒位于密度跃层上方，第二滚筒位于密度跃层的下方；第一滚筒和第二滚筒沿相同方向旋转。本发明在槽体内部设置上下间隔的两个滚筒，两个滚筒位于密度跃层两侧，两个滚筒的旋转方向形同，由于滚筒的旋转带动密度跃层两侧水流沿相反方向冲击，进而达到制造内波的目的，密度跃层受到的冲击较小，不足以导致两层液体迅速混合。并且可以模拟自然现象，实验效果明显；并在槽体内设置多孔介质区和网格承托板，使得水体动能得以分散，使分层界面清晰，观察效果好。
Description
技术领域
本发明涉及内波制造技术领域，具体涉及一种内波实验装置。
背景技术
分层流主要是指可以相混的两个密度不同的液体混合后出现分层，并在交界面产生相对运动的现象。两种液体在交界面相对运动时，不会发生全局性的掺混，这种水体分层现象在自然界和实际工程的水流中经常会发生，例如海洋、湖泊及水库等大体积水域中的水体受到阳光照射而形成的温度差，使上层水域与下层水域的水体温度不一样，会引起分层流现象。而在海洋中的分层流中具有一种重要的海水运动，即内波，内波是转移大中尺度运动能量的重要环节，也是引起海水混合、形成细微结构的重要原因。它将海洋上层能量传至深层，也将深处较冷的海水连同其中的营养物质带到较暖的浅层，从而促进生物的生长。内波导致的等密度面的波动，使声速的方向和大小都发生脉动,因而极大地影响着声呐的功能,故有利于潜艇的隐蔽而使监听遇到困难。因此，研究分层流中的内波运动对海洋工程有着十分重要的作用。
为了研究内波现象，方便实验或教学，需要设计一种能够制造分层流现象和内波运动的实验装置。专利CN110827628A公开了一种供排一体分层流实验装置，属于教学用具技术领域，包括槽体(1)、储水区一(2)、储水区二(3)和储水区三(4)，在储水区一(2)和槽体(1)之间设置输水管一(21)，在储水区二(3)和槽体(1)之间设置输水管二(31)，在槽体(1)底部设置进水装置和排水装置，在槽体(1)下层设置有溢水区(11)，在溢水区(11)上方设置含有介质的多孔介质区(12)，在多孔介质区(12)上方设置实验观察区(13)，本发明可以使下部水流平稳流入到槽体(1)内，分层流界面清晰，观察效果好，结构简单，现象明显，方便操作。但是该实验装置仅能够实现分层流现象的观察，不能制造内波。
专利CN206685004U公开了一种内波教学演示装置，包括推波装置箱、造波池、注水池、电动转轮、连杆、直杆、空心杆、推波板、固定隔板、可取隔板、窄缝及密封条；电动转轮设在推波装置箱内，连杆设在上端转轮上，连杆连套在空心杆中的直杆，直杆连推波板，推波板位于造波池中；固定隔板设在推波装置箱与造波池之间，可取隔板设在注水池与造波池之间，窄缝设在可取隔板中，密封条设在窄缝外。该装置结构简单，使用方便，通过注水池池壁缝隙能更方便快捷地在造波池制成分层液体，为内波的产生提供条件；同时可采用推波板制造干扰，以及不同密度水混合制造干扰两种方式对分层液体产生干扰，制造内波；具有在教学演示中简便易做，更形象展示内波的优点。但是该装置中推波板的前后运动使得密度不同的两种液体迅速混合，导致内波运动快速消失，使用不方便。
综上所述，亟需提供一种内波实验装置，能够稳定的制造内波，便于观察内波运动。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种内波实验装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种内波实验装置，包括槽体，所述槽体内设置第一滚筒和第二滚筒，所述第一滚筒与所述第二滚筒间隔一定距离，所述第一滚筒位于所述第二滚筒的正上方；第一滚筒位于分层流的密度跃层上方，所述第二滚筒位于分层流的密度跃层的下方；所述第一滚筒和所述第二滚筒沿相同方向旋转。
进一步地，所述第一滚筒的轮缘最下端距离所述密度跃层的距离为45-55mm；所述第二滚筒的轮缘最上端距离所述密度跃层的距离为45-55mm。
进一步地，所述第一滚筒的线速度u1为：
所述第二滚筒的线速度u1为：
其中，h1为上层液体层厚度，h2为下层液体层厚度；
其中η为波面函数，表达式为：
其中，α为内波振幅，x为以第一滚筒或第二滚筒的位置为原点，沿内波在密度跃层传播方向的横向位置；t为时间，hc为临界水深，hc＝(h1+h2)/2；H为液体总水深，H＝h1+h2；ρ1为上层液体的密度，ρ2为下层液体的密度；g为重力加速度，h-＝h2-hc。
进一步地，所述槽体内还设置直角三角形的消波装置，所述消波装置的一个直角边紧贴于所述槽体的右侧壁内壁上，所述消波装置的斜边与所述密度跃层接触。
更进一步地，所述消波装置为人工海绵层。
更进一步地，所述消波装置包括镂空的网格骨架，所述骨架内部填充人造绿植。
进一步地，所述槽体的后侧壁内侧设置第一支板，所述第一支板上设置上固定板和下固定板；所述槽体的前侧壁外侧设置第二支板，所述上固定板和所述第二支板之间设置第一滚轴，所述下固定板和所述第二支板之间设置第二滚轴；所述第一滚轴上穿设固定所述第一滚筒，所述第二滚轴上穿设固定所述第二滚筒；所述第一滚轴和所述第二滚轴均延伸至所述第二支板外侧，所述第一滚轴的伸出端设置第一带轮，所述第二滚轴的伸出端设置第二带轮，所述槽体一侧设置电机，所述电机的电机轴上设置主动带轮，所述主动带轮驱动所述第一带轮和所述第二带轮旋转。
更进一步地，所述第一支板上设置条型槽，所述上固定板和所述下固定板均通过所述条型槽固定于所述第一支板上；所述槽体对应所述第二支板的位置设置开口，所述第二支板上设置腰孔，所述第二支板通过所述腰孔固定在所述槽体上。
更进一步地，所述第一滚筒内部设置空腔，所述第二滚筒内部设置空腔。
进一步地，所述内波实验装置还包括用于存储水体一的第一储水区、用于存储水体二的第二储水区和排水装置，在第一储水区和槽体之间设置第一输水管，所述第一输水管上设置第一阀门；在第二储水区和槽体之间设置第二输水管，所述第二输水管上设置第二阀门；所述第一输水管上设置若干第一出水管，所述第一出水管位于所述槽体上方，所述第一出水管的出水口延伸至所述槽体内部；所述第二输水管上设置若干第二出水管，所述第二出水管位于所述槽体下方，所述第二出水管的出水口延伸至所述槽体内部；
所述排水装置设置于所述槽体底部，所述排水装置包括排水管和第三储水区，所述排水管上设置第三阀门和水泵；
所述槽体的下层为溢水区，所述溢水区上方设置含有介质的多孔介质区，所述多孔介质区上方设置实验观察区。
更进一步地，所述多孔介质区设置为3-6层，每一层多孔介质区底部均设置网格承托板，所述网格承托板上设置上下贯通的通孔，位于下层的网格承托板的通孔直径大于上一层网格承托板的通孔直径；位于下层的网格承托板的通孔直径大于上方的多孔介质区的介质直径。
更进一步地，位于底层的网格承托板的通孔的直径为20-35mm，位于顶层的网格承托板的通孔的直径为3-10mm。
更进一步地，所述第一出水管的出水口设置喷淋机构，所述第二出水管的出水口设置环状凸缘，所述凸缘上方设置圆盘状的挡水板，所述凸缘与所述挡水板之间设置支撑条。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明在槽体内部设置上下间隔的两个滚筒，两个滚筒位于密度跃层两侧，两个滚筒的旋转方向相同，由于滚筒的旋转带动密度跃层两侧水流沿相反方向运动，进而达到制造内波的目的，由于滚筒为圆周运动且控制转速，因此，密度跃层受到的冲击较小，不足以导致两层液体迅速混合。
(2)本发明将上下层水深和滚筒的线速度之间的关系进行了限定，使得内波速度缓慢，能够有效控制对内波的剪切力，进而有效避免波面破碎，有助于形成整波形。
(3)本发明通过设定第一支板，第一支板上设置条型槽，上固定板和下固定板通过条型槽固定在第一支板上；槽体上设置开口，第二支板通过腰孔固定在槽体上，当上下层液体的密度变化导致形成的密度跃层厚度不同时，可以根据需要调节第一滚筒和第二滚筒之间的距离，适用范围广。
(4)本发明通过设置第一储水区和第二储水区，便于放置温度或者密度不同的两种液体，并且在第一出水管上设置喷淋机构，可以模拟自然现象，实验效果明显；并在槽体内设置多孔介质区和网格承托板，使得水体动能得以分散，使分层界面清晰，观察效果好。
附图说明
图1为本发明的剖视图。
图2为图1中A-A的截面视图。
图3为第二支板与驱动机构的结构示意图。
图4为驱动机构的结构示意图。
图5为图1中B处放大图。
图6为第二出水管的结构示意图。
附图标记说明：
1-槽体，2-第一滚筒，3-第二滚筒，4-密度跃层，5-消波装置，6-第一支板，7-第二支板，8-上固定板，9-下固定板，10-第一滚轴，11-第二滚轴，12-第一带轮，13-第二带轮，14-网格承托板，15-电机，16-支承件，17-第二出水管，18-凸缘，19-挡水板，20-主动带轮，21-第一储水区，22-第二储水区，23-第一输水管，24-第一阀门，25-第一出水管，26-第二输水管，27-第二阀门，28-排水管，29-第三储水区，30-第三阀门，31-水泵，32-喷淋机构，110-支撑条，101-溢水区，102-多孔介质区，103-实验观察区。
具体实施方式
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种内波实验装置，包括槽体1，所述槽体1为方形箱体结构，槽体1的后侧壁内侧设置第一支板6，所述第一支板6通过螺钉固定在所述槽体1的后侧壁上，为了保证密封，螺钉位置设置密封垫或者密封胶；第一支板6上设置两个竖向的条型槽，第一支板6上固定上固定板8和下固定板9，上固定板8和下固定板9均为方形，上固定板8和下固定板9上均阵列设置四个螺钉孔，上固定板8和下固定板9均通过条型槽固定在第一支板6上，进而上固定板8和下固定板9在第一支板6上的位置可以上下调节。
请参考附图2-3，槽体1的前侧壁外侧设置第二支板7，第二支板7与第一支板6相对设置，槽体1的前侧壁上对应第二支板7的位置设置开口，第二支板7将开口覆盖；第二支板7通过螺钉固定在槽体1上，为保证防水要求，在第二支板7和槽体1之间设置PVC发泡泡棉。第二支板7上设置竖向腰孔，进而第二支板7相对于槽体1能够上下调节。
上固定板8和第二支板7之间设置第一滚轴10，第一滚轴10一端固定在上固定板8上，另一端固定在第二支板7上，上固定板8与第一滚轴10之间设置塑料法兰，增加第一滚轴10的润滑性，并且不易腐蚀；第二支板7与第一滚轴10之间设置塑料法兰，并在塑料法兰的外侧设置密封圈，以满足防水要求；下固定板9和第二支板7之间设置第二滚轴11，第二滚轴11一端固定在下固定板9上，另一端固定在第二支板7上，下固定板9与第二滚轴11之间设置塑料法兰，增加第二滚轴11的润滑性，第二支板7与第二滚轴11之间设置塑料法兰，并在塑料法兰的外侧设置密封圈。第一滚轴10上穿设固定第一滚筒2，第二滚轴11上穿设固定第二滚筒3。
为了减少滚筒重量，第一滚筒2和第二滚筒3均设置为空心结构，第一滚轴10与第一滚筒2的两端面之间设置密封圈，第二滚轴11与第二滚筒3的两端面之间设置密封圈，防止液体进入第一滚筒2或者第二滚筒3内部。
请参考附图4，第一滚轴10伸出第二支板7，第一滚轴10的伸出端设置第一带轮12；第二滚轴11伸出第二支板7，第二滚轴11的伸出端设置第二带轮13。槽体1的左侧设置电机15，电机15的电机轴上通过平键固定主动带轮20，主动带轮20、第一带轮12和第二带轮13上绕环设置皮带，主动带轮20驱动第一带轮12和第二带轮13旋转，进而带动第一滚筒2和第二滚筒3沿相同方向旋转；第一滚筒2驱动上层液体沿一定方向跟随第一滚筒2旋转，第二滚筒3驱动下层液体沿一定方向跟随第二滚筒3旋转，因此，第一滚筒2和第二滚筒3之间的上层液体和下层液体的运动方向相反，由于上层液体和下层液体的冲击导致在密度跃层4上产生一定的波动，波动向周围扩散，进而制造内波。
由于上固定板8和下固定板9在第一支板6上的位置能够上下调节，第二支板7相对于槽体1能够上下调节，因此，第一滚筒2和第二滚筒3的间距能够调节，第一滚筒2和第二滚筒3的间距根据密度跃层4的厚度设置。为了适应第一滚筒2和第二滚筒3的上下调节，槽体1外侧设置涨紧轮，涨紧轮通过支架固定在槽体1外壁上，支架上设置竖向的腰孔，可以调节涨紧轮的位置。
所述第一滚筒2位于所述第二滚筒3的正上方；第一滚筒2位于分层流的密度跃层4上方，所述第二滚筒3位于分层流的密度跃层4的下方；所述第一滚筒2的轮缘最下端距离所述密度跃层4的距离为45-55mm，优选为50mm；所述第二滚筒3的轮缘最上端距离所述密度跃层4的距离为45-55mm，优选为50mm。
所述第一滚筒2的线速度u1为：
所述第二滚筒3的线速度u1为：
其中，h1为上层液体层厚度，h2为下层液体层厚度；
其中η为波面函数，表达式为：
其中，α为内波振幅，x为以第一滚筒或第二滚筒的位置为原点，沿内波在密度跃层传播方向的横向位置；t为时间，hc为临界水深，hc＝(h1+h2)/2；H为液体总水深，H＝h1+h2；ρ1为上层液体的密度，ρ2为下层液体的密度；g为重力加速度，h-＝h2-hc。
根据水层深度计算第一滚筒2和第二滚筒3的线速度，使得密度跃层4受到适当的冲击，达到更好的观察效果，并且对密度跃层4的冲击影响较小，不足以导致两层液体迅速混合。根据第一滚筒2和第二滚筒3的线速度结合第一滚筒2和第二滚筒3的滚筒半径计算出第一滚筒2和第二滚筒3的转速，根据第一滚筒2和第二滚筒3的转速选择合适的第一带轮12和第二带轮13；
为了避免槽体1侧壁对内波反射导致对研究区域造成影响，所述槽体1的右侧内壁还设置直角三角形的消波装置5，所述消波装置5的一个直角边紧贴于所述槽体1的右侧壁内壁上，所述消波装置5的斜边与所述密度跃层4接触，所述消波装置5的倾角β为小于波陡的情况下效果较好。所述消波装置5可以为海绵，所述消波装置5还可以为镂空的网格骨架，所述骨架内部填充人造绿植，不仅能够消波，还具有观赏效果。
请参考附图1和图6，所述内波实验装置还包括用于存储水体一的第一储水区21、用于存储水体二的第二储水区22和排水装置，第一储水区21用于储存温度高或密度小的液体，从槽体1的上方进入；第二储水区22用于储存温度低或密度大的液体，从槽体1的下方进入。在第一储水区21和槽体1之间设置第一输水管23，所述第一输水管23上设置第一阀门24，第一阀门24用于控制第一输水管23的流量和流速；所述第一输水管23上设置若干第一出水管25，所述第一出水管25位于所述槽体1上方，所述第一出水管25的出水口延伸至所述槽体1内部，所述第一出水管25的出水口设置喷淋机构32；喷淋机构32包括喷头，通过喷头喷水，可以避免液体直冲，压力过大造成与槽体1下方的液体直接混合。在第二储水区22和槽体1之间设置第二输水管26，所述第二输水管26上设置第二阀门27，第二阀门27用于控制第二输水管26的流量和流速；所述第二输水管26上设置若干第二出水管17，所述第二出水管17位于所述槽体1下方，所述第二出水管17的出水口延伸至所述槽体1内部；所述第二出水管17的出水口设置环状凸缘18，所述凸缘18上方设置圆盘状的挡水板19，所述凸缘18与所述挡水板19之间设置支撑条110；当水流的水压较小时，水体可以从第二出水管17的出水口流出，沿着环状凸缘18流出，水流比较平稳，当水流的水压较大时，水体会从第二出水管17的出水口向上喷出碰到挡水板19，水流顺着挡水板19和凸缘18向四周侧向流出，这样可以减少水流动能，更加准确的模拟自然界的水体流动或溢流模式。
所述排水装置设置于所述槽体1底部，所述排水装置包括排水管28和第三储水区29，所述排水管28上设置第三阀门30和水泵31；当实验结束后，启动水泵31可以把液体抽送到第三储水区29内进行回收。
所述槽体1内设置三个区域，从下之上依次为溢水区101、含有介质的多孔介质区102和实验观察区103，实验观察区103的侧壁为透明材质制成，当然槽体1整体也可以采用透明材质制成。
请参考附图5，所述多孔介质区102设置为4层，每一层多孔介质区102底部均设置网格承托板14，所述网格承托板14上设置均匀分布的上下贯通的通孔，介质设置在网格承托板14上，介质的直径大于通孔的直径，防止介质掉入网格承托板14下方；介质可以设置为石块或者橡胶块。位于下层的网格承托板14的通孔直径大于上一层网格承托板14的通孔直径；同样位于下层网格承托板14上介质的直径大于上一层网格承托板14上介质的直径，如位于底层网格承托板14的通孔的直径设置为30mm，位于底层网格承托板14的介质直径大于30mm，位于顶层网格承托板14的通孔的直径设置为3mm，位于顶层网格承托板14的介质直径大于3mm，通孔的直径和介质直径的大小，对于实验效果具有一定的影响作用，在本发明中，经过多数实验设计，位于底层网格承托板14的通孔的直径设置为30mm，位于顶层网格承托板14的通孔的直径设置为3mm，实验效果较好。在底层网格承托板14与顶层网格承托板14之间的网格承托板14的直径在30mm至3mm之间，这样，一方面，介质不会掉入到相应的位于其下方的网格承托板14的通孔内，同时，由于下一层的网格承托板14上的介质的直径大，相互间的间隙大，水体流速快，上一层的网格承托板14上的介质的直径小，相互间的间隙小，上一层的介质对下部的水流起到阻挡、分流作用，当最上层的介质比较小时，可以起到模拟自然状态下的水体溢流或渗出效果，实验效果好。网格承托板14上的通孔也可以设置为正方形的通孔，也可以设置为长方形的通孔，也可以设置为椭圆形的通孔。
在本发明中，当需要模拟大型分层流实验时，溢水区101可以设置为水平方向的3至10个区域，在网格承托板14与溢水区101的底部之间设置有支承件16，用于支撑上层的网格承托板14和介质。在网格承托板14与网格承托板14之间也设置支承件16，用于支撑网格承托板14和介质。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种内波实验装置，包括槽体，其特征在于：所述槽体内设置第一滚筒和第二滚筒，所述第一滚筒与所述第二滚筒间隔一定距离，所述第一滚筒位于所述第二滚筒的正上方；第一滚筒位于分层流的密度跃层上方，所述第二滚筒位于分层流的密度跃层的下方；所述第一滚筒和所述第二滚筒沿相同方向旋转。
2.根据权利要求1所述的内波实验装置，其特征在于：所述第一滚筒的轮缘最下端距离所述密度跃层的距离为45-55mm；所述第二滚筒的轮缘最上端距离所述密度跃层的距离为45-55mm。
3.根据权利要求1所述的内波实验装置，其特征在于：所述第一滚筒的线速度u1为：
所述第二滚筒的线速度u1为：
其中，h1为上层液体层厚度，h2为下层液体层厚度；
其中η为波面函数，表达式为：
其中，α为内波振幅，x为以第一滚筒或第二滚筒的位置为原点，沿内波在密度跃层传播方向的横向位置；t为时间，hc为临界水深，hc＝(h1+h2)/2；H为液体总水深，H＝h1+h2；ρ1为上层液体的密度，ρ2为下层液体的密度；g为重力加速度，h-＝h2-hc。
4.根据权利要求1所述的内波实验装置，其特征在于：所述槽体内还设置直角三角形的消波装置，所述消波装置的一个直角边紧贴于所述槽体的右侧壁内壁上，所述消波装置的斜边与所述密度跃层接触。
5.根据权利要求4所述的内波实验装置，其特征在于：所述消波装置包括镂空的网格骨架，所述骨架内部填充人造绿植。
6.根据权利要求1所述的内波实验装置，其特征在于：所述槽体的后侧壁内侧设置第一支板，所述第一支板上设置上固定板和下固定板；所述槽体的前侧壁外侧设置第二支板，所述上固定板和所述第二支板之间设置第一滚轴，所述下固定板和所述第二支板之间设置第二滚轴；所述第一滚轴上穿设固定所述第一滚筒，所述第二滚轴上穿设固定所述第二滚筒；所述第一滚轴和所述第二滚轴均延伸至所述第二支板外侧，所述第一滚轴的伸出端设置第一带轮，所述第二滚轴的伸出端设置第二带轮，所述槽体一侧设置电机，所述电机的电机轴上设置主动带轮，所述主动带轮驱动所述第一带轮和所述第二带轮旋转。
7.根据权利要求6所述的内波实验装置，其特征在于：所述第一支板上设置条型槽，所述上固定板和所述下固定板均通过所述条型槽固定于所述第一支板上；所述槽体对应所述第二支板的位置设置开口，所述第二支板上设置腰孔，所述第二支板通过所述腰孔固定在所述槽体上。
8.根据权利要求1所述的内波实验装置，其特征在于：还包括用于存储水体一的第一储水区、用于存储水体二的第二储水区和排水装置，在第一储水区和槽体之间设置第一输水管，所述第一输水管上设置第一阀门；在第二储水区和槽体之间设置第二输水管，所述第二输水管上设置第二阀门；所述第一输水管上设置若干第一出水管，所述第一出水管位于所述槽体上方，所述第一出水管的出水口延伸至所述槽体内部；所述第二输水管上设置若干第二出水管，所述第二出水管位于所述槽体下方，所述第二出水管的出水口延伸至所述槽体内部；
所述排水装置设置于所述槽体底部，所述排水装置包括排水管和第三储水区，所述排水管上设置第三阀门和水泵；
所述槽体的下层为溢水区，所述溢水区上方设置含有介质的多孔介质区，所述多孔介质区上方设置实验观察区。
9.根据权利要求8所述的内波实验装置，其特征在于：所述多孔介质区设置为3-6层，每一层多孔介质区底部均设置网格承托板，所述网格承托板上设置上下贯通的通孔，位于下层的网格承托板的通孔直径大于上一层网格承托板的通孔直径；位于下层的网格承托板的通孔直径大于上方的多孔介质区的介质直径；位于底层的网格承托板的通孔的直径为20-35mm，位于顶层的网格承托板的通孔的直径为3-10mm。
10.根据权利要求8所述的内波实验装置，其特征在于：所述第一出水管的出水口设置喷淋机构，所述第二出水管的出水口设置环状凸缘，所述凸缘上方设置圆盘状的挡水板，所述凸缘与所述挡水板之间设置支撑条。
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