CN115535134A - 一种船艏导流式气泡减阻装置及减阻方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种船艏导流式气泡减阻装置及减阻方法，属于船舶节能装置领域。解决了现有利用进气口进气方式产生气泡的方式效率比较低，而且气泡排出船外的速率不能保证稳定的问题。它包括气体生产机构、气体传导机构、气体释放机构和水流导流机构，气体生产机构设置在船体的艏部位置，气体释放机构设置于船艏底部，水流导流机构设置两组，气体生产机构和气体传导机构设置在船体中心线上，两组水流导流机构对称分布在船艏左右两侧，气体生产机构和气体传导机构连通，气体传导机构与气体释放机构连通，两组水流导流机构均与气体释放机构连通，且两组水流导流机构对称布置在气体释放机构的左右两侧。本发明适用于船舶行驶过程中减阻。

Description

一种船艏导流式气泡减阻装置及减阻方法

技术领域

本发明创造属于船舶节能装置领域，尤其是涉及一种船艏导流式气泡减阻装置及减阻方法。

背景技术

船舶在前行过程中，水会对其产生阻力，为了节约运行成本，需尽可能减少阻力的影响，降低能量的消耗，通常采用气泡减阻技术以达到以上目的。

现有一种利用进气口进气方式的气泡减阻装置，当船舶前行时，船体正前方的进气口会被打开，进气口连接有气泡发生装置，气泡发生装置具有向进气管出气端方向发射口，随船体前行时位于发射口与进气管出气端之间的区域形成负压区，进气管向所述负压区通入的气流受船体的剪切作用而在船体底部形成气泡层，通过降低船底表面附近的流体密度和粘性，改变湍流边界层内流动状态。由于其本身结构的特殊性，此发明不需要动力源，实现了在无能耗的情况下产生气泡，实现减阻功效。在船舶高速运行的过程中，利用进气口进气方式产生气泡的方法效率比较低，而且气泡排出船外的速率不能保证稳定，需要设计一种高效且稳定的减阻装置，来降低减阻成本，达到减阻的目的。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种船艏导流式气泡减阻装置，以解决现有利用进气口进气方式产生气泡的方式效率比较低，而且气泡排出船外的速率不能保证稳定的问题，本申请能减小船舶在水中航行过程中的阻力，减少航行成本。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种船艏导流式气泡减阻装置，包括气体生产机构、气体传导机构、气体释放机构和水流导流机构，所述气体生产机构设置在船体的艏部位置，所述气体释放机构设置于船艏底部，所述水流导流机构设置两组，所述气体生产机构和气体传导机构设置在船体中心线上，两组所述水流导流机构对称分布在船艏左右两侧，所述气体生产机构和气体传导机构连通，所述气体传导机构与气体释放机构连通，两组所述水流导流机构均与气体释放机构连通，且两组水流导流机构对称布置在气体释放机构的左右两侧；

所述气体产生机构包括空气压缩机和功率控制器，所述气体传导机构包括空气压力罐、空气分流舱和流量仪，所述空气压缩机通过一导气空心管与空气压力罐连通，在导气空心管上设置功率控制器；所述空气压力罐通过一导气空心管与空气分流舱连通，在空气分流舱上设有流量仪；所述气体释放机构包括空气扩散件、气-流混合室、气-流排出口挡板组件和若干导流板；

在气-流混合室的上表面开设有两个进气口，所述气-流混合室与空气分流舱通过自两个进气口伸入气-流混合室内的两个导气空心管连通，在两个导气空心管上分别设有一个止逆阀，在伸入气-流混合室的导气空心管的端部设有空气扩散件；气-流混合室的一端设有矩形气-流出口，另一端设有两个进水口，两个进水口倾斜布置，在气-流混合室的矩形气-流出口处设有气-流排出口挡板组件，所述气-流排出口挡板组件包括分别设置在矩形气-流出口的四周上的上部倾斜长板、两个侧板和底部水平挡板，四个板围成的开口端为气-流排出口，在上部倾斜长板的长于底部水平挡板的部分均匀设有若干导流板；

所述水流导流机构包括整流网和导水管道，导水管道的一端为进水口前端，另一端为进水口末端，所述整流网位于进水口前端处，进水口前端直接与水面接触，所述导水管道的进水口末端与相对应的气-流混合室的进水口连通。

更进一步的，所述流量仪与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小。

更进一步的，所述水流导流机构整体相对于船底的倾斜角度为15度，上部倾斜长板相对于船底的倾斜角度为15度。

更进一步的，所述水流导流机构中的进水口前端的截面尺寸是进水口末端的截面尺寸的1.7倍。

更进一步的，所述进水口末端相对水流流动方向的倾斜角度为135度。

更进一步的，空气扩散件为喇叭状壳体结构。

更进一步的，在水流导流机构和气体释放机构连接处设有防水密封胶圈，在整流网和气体释放机构表面涂覆有防腐材料。

更进一步的，进入气-流混合室进气口的导气空心管相对气-流混合室顶部的倾斜角度为45度。

更进一步的，每个导气空心管与各个连接件的连接处均采用防脱落接口。

本发明创造的另一目的在于提出一种船艏导流式气泡减阻装置的减阻方法，具体包括以下步骤：

空气压缩机根据限压阀产生一定流速的空气，空气顺着导气空心管流入空气压力罐中；随后顺着导气空心管流入空气分流舱，连接到中控系统上的流量仪时时监测流入空气分流舱内的空气流量；空气分流舱内的空气沿着左右两个进气口平均分配到气-流混合室内；在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会经由进水口前端以一定速度进入到气-流混合室，并将进入到气-流混合室内的空气沿着气-流排出口一并排出于船外；此时排出的空气沿着船底形成气泡层。

与现有技术相比，本发明创造所述的一种船艏导流式气泡减阻装置的有益效果是：

(1)本发明创造所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，在生产气体的压缩装置添加了功率控制器，且在气体传导机构中加入了空气存储压力罐，这样就可以提供比较稳定的气压从而产生较为稳定的气泡层；在气体释放机构设置进水口，利用水流的速度更快的带动气体的流出，降低出口处的压力，更高效的产生气泡层。

(2)本发明创造所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，通过水流速度增加空气流通速度的方式来降低空气压缩机构内压力大小，采用本装置可以使空气压缩机内压力保持较为稳定的状态，降低空气压缩机的能耗，延长使用的寿命。

(3)本发明创造所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，气体释放机构中的进气口处设置止逆阀，防止水流和空气沿着导气空心管逆向进入气体传导机构，在气-流混合室内部伸出的导气空心管末端设置空气扩散件，以增加气-流混合室内空气扩散的速度。

(4)本发明创造所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，在气-流排出口处均匀分布三个导流板，使产生的气泡更大范围的降低船底表面附近的流体密度和粘性。

(5)本发明创造所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，水流导流机构采用直流风洞式设计，整流网作用为过滤部分海洋生物，将水流重新定向一条预设的直线上；水流穿过整流网沿着导水管道从进水口前端到进水口末端过程中，由于进水口的横截面积逐渐减小，导致水流的速度逐渐增大。根据伯努利方程可以看出，水流的速度变大，压力会变小；当水流流入气-流混合室以一定速度将空气从气-流排出口时，由于水流速度变大，空气的速度也会跟着变大，此时气-流排出口的压力便会减小，从而带动空气压缩装置压力减小，减少产生空气的功率；空气在气-流排出口处形成一层包裹在船底的气泡层，减少船舶前行的阻力，降低航行过程中能量的损耗。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的一种船艏导流式气泡减阻装置的结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的一种船艏导流式气泡减阻装置的俯视图；

图3为本发明创造实施例所述的一种船艏导流式气泡减阻装置中的气体释放机构的结构示意图；

图4为本发明创造实施例所述的一种船艏导流式气泡减阻装置中的气-流排出口的布置示意图；

图5为本发明创造实施例所述的一种船艏导流式气泡减阻装置中水流导流机构的布置示意图；

图6为本发明创造实施例所述的一种船艏导流式气泡减阻装置中的气体释放机构的原理图。

附图标记说明：

1、船体；2、空气压缩机；3、功率控制器；4、空气压力罐；5、流量仪；6、空气分流舱；7、导气空心管；8、进水口前端；9、导水管道；10、止逆阀；11、空气扩散件；12、气-流混合室；13、气-流排出口挡板组件；14、气-流排出口；15、导流板；16、进气口；17、进水口末端；18、整流网。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，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，都属于本发明创造保护的范围。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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创造和简化描述，而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创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1-图6所示，一种船艏导流式气泡减阻装置，包括气体生产机构、气体传导机构、气体释放机构和水流导流机构，所述气体生产机构设置在船体1的艏部位置，所述气体释放机构设置于船艏底部，所述水流导流机构设置两组，所述气体生产机构和气体传导机构设置在船体1中心线上，所述两组水流导流机构对称分布在船艏左右两侧，所述气体生产机构和气体传导机构连通，所述气体传导机构与气体释放机构连通，两组所述水流导流机构均与气体释放机构连通，且两组水流导流机构对称布置在气体释放机构的左右两侧；

所述气体产生机构包括空气压缩机2和功率控制器3，压缩马达，所述气体传导机构包括空气压力罐4、空气分流舱6和流量仪5，所述空气压缩机2通过一导气空心管7与空气压力罐4连通，在导气空心管7上设置功率控制器3；所述空气压力罐4通过一导气空心管7与空气分流舱6连通，在空气分流舱6上设有流量仪5；所述气体释放机构包括空气扩散件11、气-流混合室12、气-流排出口挡板组件13和若干导流板15；

在气-流混合室12的上表面开设有两个进气口16，所述气-流混合室12与空气分流舱6通过自两个进气口16伸入气-流混合室12内的两个导气空心管7连通，在两个导气空心管7上分别设有一个止逆阀10，在伸入气-流混合室12的导气空心管7的端部设有空气扩散件11；气-流混合室12的一端设有矩形气-流出口，另一端设有两个进水口，两个进水口倾斜布置，在气-流混合室12的矩形气-流出口处设有气-流排出口挡板组件13，所述气-流排出口挡板组件13包括分别设置在矩形气-流出口的四周上的上部倾斜长板、两个侧板和底部水平挡板，四个板围成的开口端为气-流排出口14，在上部倾斜长板的长于底部水平挡板的部分均匀设有若干导流板15，若干导流板15设置在气-流排出口14处，底部水平挡板固定在船体1底部；

所述水流导流机构包括整流网18和导水管道9，导水管道9的一端为进水口前端8，另一端为进水口末端17，所述整流网18位于进水口前端8处，进水口前端8直接与水面接触，所述导水管道9的进水口末端17与相对应的气-流混合室12的进水口连通。

所述流量仪5与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小；中控系统是现有系统，在此不再赘述其具体结构及工作原理。

进入气-流混合室12的进气口16的导气空心管7相对气-流混合室12顶部的倾斜角度为45度。

气体产生机构中，空气压缩机2通过给定电源增大装置内的压强产生源源不断的空气；限压阀可以控制气体装置内的压强，也就是可以控制空气流通的速度；当空气压缩机2内的压强达到限制阀值便停止增大压强，使压缩机内的压强恒定，保证传送到空气压力罐4内的流速恒定；

气体传导机构中，存储空气的空气压力罐4的作用是将空气得以缓冲，更稳定的流向气体释放机构，将空气压缩机2中产生的空气临时存放到空气压力罐4中，使空气流速保持稳定后，通过密封的导气空心管7传送到空气分流舱6中；空气分流舱6的作用为将输入的空气通过导气空心管7均匀分布到气体释放机构中，此时流量仪5测量的数值为气体释放装置中的空气流速，通过调节流量仪5可以控制空气流速的大小。

水流导流机构中，水流穿过整流网18，从进水口前端8沿着导水管道9流到进水口末端17，然后进入气-流混合室12，整流网18作用为过滤部分海洋生物，将水流重新定向一条预设的直线上，进水口前端8和进水口末端17均为长方形，所述水流导流机构中的导水管道9的进水口前端的截面尺寸是进水口末端的截面尺寸的1.7倍；进水口前端8比进水口末端17的横截面积大，使水流在流入到气-流混合室12时的速度增大，进水口末端17存在一定的水平偏角，作用为调整水流进入气-流混合室12的方向，所述水流导流机构整体相对于船底的倾斜角度为15度，也就是进水口末端17低于进水口前端8设置，水流导流机构整体相对于船体1存在夹角，使水流速度明显增大。

气体释放机构中，止逆阀10的作用是防止空气以及进入气-流混合室12的水流从进气口16倒流至空气分流舱6中；空气扩散件11为喇叭状壳体结构，空气扩散件11的作用是增大进气口16中的空气的扩散范围，提高空气扩散速率，使空气于水流更充分的接触；气-流排出口挡板组件13的作用是防止空气和水流回流至船舱，并且调整气泡层形成的的角度；导流板15作用是调整气-流混合室12中生成的气泡沿着气-流排出口14排出船外的方向，使气泡充分的覆盖船底范围；气体释放机构整体设有防水密封条，防止水流渗入船中；

通过空气分流舱6分布的空气流入气体释放机构中，并从导气空心管7流入气-流混合室12，在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会随着水流导流机构以一定速度进入到气-流混合室12，并将导气空心管7的空气沿着气-流排出口14一并排出于船外，此时排出的空气沿着船底形成气泡层，减少船舶的航行阻力。

空气压缩机2根据限压阀产生一定气压的空气；空气顺着导气空心管流入空气压力罐4中；随后顺着空心管流入空气分流舱6，此时连接到中控系统上的流量仪5开始读数；空气分流舱6根据气体释放机构通过进气口16流入气-流混合室12；气流混合室12的空气随着水流通过气-流排出口14一并排出气体释放机构，根据伯努利方程(1)可知，水流在导水管道9流动过程中流速增大，此时进水口末端17处的压力会减小；

其中，P为流体中某点的压力；ρ为水的密度；g为重力加速度；z为高度；

表示速度。

当水流沿着气体释放机构从进水口末端17流入过程中，由于进口的截面积逐渐减小，导致水流的速度逐渐增大，根据伯努利方程可以看出，水流的速度变大，压力会变小，压强也随之变小；当水流沿流入气-流混合室12的水以一定速度将空气带出气-流排出口14时，由于水流速度变大，空气的速度也会跟着变大，此时气-流排出口14的压力便会减小，从而带动空气压缩机压强减小，减少产生空气的功率；

利用水流的速度更快的带动气体的流出，降低出口处的压力，更高效的产生气泡层，空气在气-流排出口14处形成一层在船底的气泡层，减少船舶前行的阻力，降低航行过程中能量的损耗。

本发明的装置通过水流速度增加空气流通速度的方式来降低空气压缩装置内压力大小，采用本装置可以使空气压缩机内压力保持较为稳定的状态，降低空气压缩机的能耗，延长使用的寿命。

本申请的装置利用水流速度增大，压力减小的原理减小空气压缩机功率，采用本装置可以大大减少水中航行阻力，减少运营成本。

所述流量仪5与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小。上部倾斜长板相对于船底的倾斜角度为15度；导水管道9长度为上部倾斜长板的两个直边之间距离的1.5倍。气-流排出口挡板13最大宽度为船舶1宽度的0.63倍。气-流排出口14的长度是进水口末端的8倍。这样设计可以增加水流流出船体的速率，且排出的气泡层可以与船底有一定的贴合，在一定程度上提高船舶航行的稳性；为避免气-流混合室12进入的水流倒灌至导气空心管7，设置所述进水口末端17相对水流流动方向的倾斜角度为135度，并且配有止逆阀10。在水流导流机构和气体释放机构连接处设有防水密封胶圈，在整流网和气体释放机构表面涂覆有防腐材料。

气体生产机构、气体传导机构和气体释放机构之间用不同孔径的密封空心管相连接，每个导气空心管7与各个连接件的连接处均采用防脱落接口，以防装置运行过程中空心管脱落。

通过以上实施例描述不难发现，本装置具有流量调节系统，可根据不同航向进行空气流速调节，并且能够产生稳定的空气流动；相较于其他减阻装置，本装置通过将水流引入气-流混合室带出空气形成气泡层的方法，增加了空气流动的速度，降低了气-流排出口处的压力，可以提高气泡层的生成效率，在一定程度上节省空气压缩机的能耗。

一种船艏导流式气泡减阻装置的减阻方法，具体包括以下步骤：

初始运行时，空气压缩机2工作，此时连接到中控系统上的流量仪5开始读数，待空气分流舱6内空气流量达到所需量时，流量仪5读数达到指定值，空气压缩机2根据限压阀产生一定气压的空气正常工作，空气顺着导气空心管7流入空气压力罐4中；随后顺着导气空心管7流入空气分流舱6，连接到中控系统上的流量仪5时时监测流入空气分流舱6内的空气流量，空气压力罐4中空气按照指定流速流入至空气分流舱6，当流量仪5没有达到指定值时或是运行过程中流量不稳定时，中控系统采集流量仪5相应的信号上传至上位机，上位机控制限压阀的压力来改变空气压缩装置2的压缩气体的流量；空气分流舱6内的空气沿导气空心管7流入到气-流混合室12内；在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会随着进水口前端8以一定速度沿着导水管道9流入，并从进水口末端17进入到气-流混合室12，并将进气口16中的空气沿着气-流排出口14一并排出于船外，此时排出的空气沿着船底形成气泡层，减少船舶前行阻力，降低运营成本。

一种船艏导流式气泡减阻装置，为降低船舶在前行过程中的能耗提供解决办法；水流的作用使得气-液混合室处的通气压力减小，从而降低空气压缩机生产空气的成本。

以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。

Claims (10)

1.一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：包括气体生产机构、气体传导机构、气体释放机构和水流导流机构，所述气体生产机构设置在船体(1)的艏部位置，所述气体释放机构设置于船艏底部，所述水流导流机构设置两组，所述气体生产机构和气体传导机构设置在船体(1)中心线上，两组所述水流导流机构对称分布在船艏左右两侧，所述气体生产机构和气体传导机构连通，所述气体传导机构与气体释放机构连通，两组所述水流导流机构均与气体释放机构连通，且两组水流导流机构对称布置在气体释放机构的左右两侧；

所述气体产生机构包括空气压缩机(2)和功率控制器(3)，所述气体传导机构包括空气压力罐(4)、空气分流舱(6)和流量仪(5)，所述空气压缩机(2)通过一导气空心管(7)与空气压力罐(4)连通，在导气空心管(7)上设置功率控制器(3)；所述空气压力罐(4)通过一导气空心管(7)与空气分流舱(6)连通，在空气分流舱(6)上设有流量仪(5)；所述气体释放机构包括空气扩散件(11)、气-流混合室(12)、气-流排出口挡板组件(13)和若干导流板(15)；

在气-流混合室(12)的上表面开设有两个进气口(16)，所述气-流混合室(12)与空气分流舱(6)通过自两个进气口(16)伸入气-流混合室(12)内的两个导气空心管(7)连通，在两个导气空心管(7)上分别设有一个止逆阀(10)，在伸入气-流混合室(12)的导气空心管(7)的端部设有空气扩散件(11)；气-流混合室(12)的一端设有矩形气-流出口，另一端设有两个进水口，两个进水口倾斜布置，在气-流混合室(12)的矩形气-流出口处设有气-流排出口挡板组件(13)，所述气-流排出口挡板组件(13)包括分别设置在矩形气-流出口的四周上的上部倾斜长板、两个侧板和底部水平挡板，四个板围成的开口端为气-流排出口(14)，在上部倾斜长板的长于底部水平挡板的部分均匀设有若干导流板(15)；

所述水流导流机构包括整流网(18)和导水管道(9)，导水管道(9)的一端为进水口前端(8)，另一端为进水口末端(17)，所述整流网(18)位于进水口前端(8)处，进水口前端(8)直接与水面接触，所述导水管道(9)的进水口末端(17)与相对应的气-流混合室(12)的进水口连通。

2.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：所述流量仪(5)与中控系统连接，通过中控系统控制进入气体释放机构中的空气流量的大小。

3.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：所述水流导流机构整体相对于船底的倾斜角度为15度，上部倾斜长板相对于船底的倾斜角度为15度。

4.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：所述水流导流机构中的进水口前端的截面尺寸是进水口末端的截面尺寸的1.7倍。

5.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：所述进水口末端(17)相对水流流动方向的倾斜角度为135度。

6.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：空气扩散件(11)为喇叭状壳体结构。

7.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：在水流导流机构和气体释放机构连接处设有防水密封胶圈，在整流网(18)和气体释放机构表面涂覆有防腐材料。

8.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：进入气-流混合室(12)的进气口(16)的导气空心管(7)相对气-流混合室(12)顶部的倾斜角度为45度。

9.根据权利要求1所述的一种船艏导流式气泡减阻装置，其特征在于：每个导气空心管(7)与各个连接件的连接处均采用防脱落接口。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种船艏导流式气泡减阻装置的减阻方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

空气压缩机(2)根据限压阀产生一定流速的空气，空气顺着导气空心管(7)流入空气压力罐(4)中；随后顺着导气空心管(7)流入空气分流舱(6)，连接到中控系统上的流量仪(5)时时监测流入空气分流舱(6)内的空气流量；空气分流舱(6)内的空气沿着左右两个进气口(16)平均分配到气-流混合室(12)内；在船舶在前行的过程中，相对于船舶前行速度，一部分水流会经由进水口前端(8)以一定速度进入到气-流混合室(12)，并将进入到气-流混合室(12)内的空气沿着气-流排出口(14)一并排出于船外；此时排出的空气沿着船底形成气泡层。

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