JP2004301652A - 超音速風洞設備のノズル形状調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定部における気流分布の一様性の向上を図り、精度の高い風洞試験を実現する。
【解決手段】予め決められたノズル形状を初期形状として、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求める。各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせることにより、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定する。この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とする。
【選択図】 図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、航空機、ロケット等の開発・試験に用いる超音速風洞設備のノズル形状調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
数値流体力学（ＣＦＤ）の技術が発達した近年においても、実際の流体関連の製品開発では依然として風洞試験が必要とされる。
【０００３】
最近では、風洞試験で得られるデータに対する要求も非常に厳しくなりつつあり、風洞気流の一様性、乱れ度等について、より精度の高い試験の実現が求められている。そして、風洞試験の高度化に伴って、可撓ノズルの形状設計法についても、さらなる高度化を要求されている。
【０００４】
一般の超音速風洞設備１０１は、図８に示すように、貯気槽１０２、調圧弁１０３ａ及び整流スクリーン１０３ｂを有する集合胴１０３，上下あるいは左右にアクチュエータとしてのジャッキ１０４ａを有する可撓ノズル１０４，測定部１０５および拡散筒１０６を備える。そして、ジャッキ１０４ａによって可撓ノズル１０４のノズル壁上下を対称に変形させ、測定部１０５での一様な気流の分布を生成させ、測定部１０５に支持した模型１０７に対し風洞試験を行うようになっている。
【０００５】
そして、その可撓ノズル１０４を設計する際には、特性曲線法を用いて、集合胴１０３に連通する可撓ノズル１０４のスロート部（図１の符号１参照）に続くノズル変曲点（図１の符号５参照）から発生する波を測定部１０５の入口前までの間で打ち消すことにより、測定部１０５内の気流分布が一様となるようなノズル形状を求め、このノズル形状に対して、ノズル壁面に沿って発達する境界層排除厚さ分の補正を加える方法が主に用いられている。
【０００６】
しかし、上記の従来の設計手法では、境界層排除厚さの推定誤差などにより波を完全に打ち消すことができず、測定部１０５内に十分に一様な気流分布が得られない場合がある。
【０００７】
また、可撓ノズル上の静圧分布を計測し、理想ノズル曲線の静圧目標値に対しノズル曲線をフィードバック制御することにより所望の気流分布を達成する風洞設備が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、この風洞設備は、弾性壁で形成され流れ方向に複数個の静圧孔が設けられた可撓ノズル、前記静圧孔における圧力を検出する圧力センサ、前記可撓ノズルに取り付けられ前記可撓ノズルの形状を変えるアクチュエータ、及び前記圧力センサの出力を受け、前記可撓ノズル内に所望の静圧分布を生じさせるよう前記アクチュエータを作動させる制御装置を有する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−３００６６０号公報（第２頁〜第３頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１で提案している気流精度を実現するには、ノズル曲線を精度よく調整する必要があるため、非常に多数の静圧孔とアクチュエータとが必要となり、実際上製作が困難であると考えられ、かえって静圧孔より気流の乱れが発生する懸念がある。また、超音速風洞の場合には、衝撃波が現れるが、表面上の静圧を計測したことに基づく形状の修正のみでは、そのような衝撃波を消滅させることができない。
【００１０】
本発明は、上記問題点を解消すべくなされたもので、測定部における気流分布の一様性の向上を図り、精度の高い風洞試験を実現することのできる超音速風洞設備のノズル形状調整方法を提供しようとするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、可撓ノズルを有する超音速風洞設備において、ノズルのスロート部から測定部の入口までの間の各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析又は実測により求めれば、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせることにより、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定できることを利用したものであり、このように推定できる理由についてまず説明する。
【００１２】
図１（超音速風洞二次元ノズルを示す）に示すように、予め決められたノズル形状を初期形状として、そのノズルのスロート部１から測定部の入口２までの間の各変形位置３において所定量の変形を与えることにより、測定部４において、気流分布の変化が与えられる。ここで、図２に示すように、各変形位置３において与える変形は、その変形位置３での変形量が最大となるように与えられるが、その変形は、初期設計におけるノズル曲線６（破線参照）に対して滑らかに繋がる連続的な曲線７が形成されるように与えられる。
【００１３】
ノズル初期形状に上記変形を与えた場合について、ＣＦＤ解析により求められる、ノズル内のマッハ数分布の変化量を図３に示す。同図に示すように、変形位置３の前側では流れが絞られるので圧縮波が、後側では流れが広がるので膨張波がそれぞれ発生し、ノズル内のマッハ数分布に変化が生じる。
【００１４】
図４はノズル初期形状において、変形位置３ａ，３ｂにおいてそれぞれ単独変形を与えた場合（図４の最も上及び上から２番目の図参照）、および変形位置３ａ，３ｂにおいて同時に変形（前記単独変形と同じ変形）を与えた場合（図４の上から３番目の図参照）について、ＣＦＤ解析により求めた、各形状の初期形状に対するマッハ数分布の変化量、およびそれぞれの単独変形の初期形状に対するマッハ数の変化量を線形的に重ね合わせた場合（図４の最も下の図参照）のものである。
【００１５】
この図４に示す通り、変形位置３ａ，３ｂにおいて同時に変形を与えた形状のＣＦＤ解析結果（図４の上から３番目の図参照）とそれぞれの単独変形形状の初期形状に対するマッハ数の変化量を線形的に重ね合わせたもの（図４の最も下の図参照）との分布はよく一致することがわかる。このことは実際に航空宇宙研究所・超音速風洞設備（１ｍ×１ｍ）を使用してノズル形状に同時に変形を与えた場合と単独に変形を与えた場合の測定部のマッハ数分布をピトーレークで計測した結果からも確認されている。
【００１６】
これにより、各変形位置の単独変形がマッハ数分布に与える影響を重ね合わせることにより、各変形位置に同時に変形を与えた形状のマッハ数分布を推定することができる。よって、この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化することができると考えられる。
【００１７】
図５はノズル初期形状（図５の上側の図参照）、および変形量最適化後のノズル形状（図５の下側の図参照）のＣＦＤ解析結果から、それぞれのマッハ数分布を示したものである。これにより、前述したように測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とすることにより測定部内の気流分布の一様性が向上していると認められる。
【００１８】
このように、各変形位置毎に変形量を変化させながら同時に各位置に変形量を与えたノズル形状のマッハ数分布の推定を行い、その中から測定部内のマッハ数分布が最も一様となるような各位置及びその変形量の組み合わせを求めることにより、最適なノズル形状を得ることができることがわかる。
【００１９】
このような知見に基づき、請求項１の発明はなされたノズル形状調整方法で、弾性変形可能に形成される可撓ノズルを有し、可撓ノズルのスロート部から測定部の入口までの間に複数の変形位置を特定し、この各変形位置の変形により測定部での気流分布を調整する超音速風洞設備のノズル形状調整方法であって、予め決められたノズル形状を初期形状として、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求め、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせることにより、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定し、この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とすることを特徴とする。ここで、予め決められたノズル形状とは、例えば従来の設計手法により設計されたノズル初期形状を意味し、請求項１の発明は風洞設備を新設する場合のノズル形状調整方法である。また、変形位置における変形とは、初期形状の位置よりアクチュエータの作動によってノズル壁を変位させることを意味する。なお、要求されるマッハ数毎に、各変形位置の変形を最適化したノズル形状が異なるのはもちろんである。
【００２０】
この場合、予め変形位置及びその位置での変形量を変数として、調整可能範囲でそれらの多数の組み合わせが定められており、その調整可能範囲におけるすべての組み合わせについて測定部での気流分布を推定し、この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とするものである。この調整可能範囲は、前記組み合わせが例えばマップなどで整理されており、その整理されているすべての組み合わせについて、測定部内の気流分布を順次推定し、測定部内の気流分布を一様化するのに最適な変形位置及びその位置での変形量の組み合わせが見つけ出されることになる。
【００２１】
このようにすれば、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求め、その解析結果を利用して、各変形位置における単独変形を重ね合わせて、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定し、可撓ノズルの最適化形状を決定するので、従来設計手法により設計された超音速ノズルをそのまま有する風洞設備より、より一層気流の一様性の高い風洞設備を実現することが可能とされる。変形位置の前後から圧縮波および膨張波が発生しているので、それらをうまく組み合わせて測定部での一様な流れを作るように調整しているのである。
【００２２】
また、予め決められたノズル形状を初期形状とする最初から設計する場合だけでなく、測定部での気流分布の一様性を高めるために、既設の超音速風洞設備のノズル形状を調整する場合にも適用することができる。この場合には、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求めるのに代えて、可撓性ノズルの測定部における気流分布計測による実測により求めるようにすればよい。すなわち、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響を、測定部における気流分布計測による実測により求め、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせることにより、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定し、この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とする。
【００２３】
このようにすれば、既設の超音速風洞設備の可撓ノズルを、測定部でより一層気流の一様性の高いものに改修することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
（第１の実施の形態）
図６は本発明に係る超音速風洞設備のノズル形状調整方法の第１の実施の形態についての処理の流れを示すフローチャート図である。なお、第１の実施の形態における超音速風洞設備としては、図８に示すものを用いて以下説明する。
【００２５】
本発明に係る調整方法によって新設の風洞設備のノズル形状を調整する場合は、図６に示すように、まず、今まで行われていた従来の設計方法（例えばＭＯＣ／ＢＬ法）にて、ノズル形状について初期設計形状を決定する（ステップＳ１）。その初期設計形状（いずれの変形位置においても変形を与えていない状態）について、ＣＦＤ解析（数値流体解析）をし（ステップＳ２）、解析の基本となる測定部１０５の気流分布を推定する。
【００２６】
ついで、各変形位置におけるジャッキ１０４ａ（アクチュエータ）を単独で作動させてその作動による単位量の変形が測定部１０５内の気流分布に与える影響をパラメトリックにＣＦＤ解析により求める（ステップＳ３）。つまり、ＣＦＤ解析により、ジャッキ１０４ａそれぞれについてノズル壁（変形位置）を押圧あるいは引いたときに、測定部１０５においてどのような気流の乱れが生ずるかを計算する。
【００２７】
それから、新たなジャッキ１０４ａ（変形位置）及びその変位量の組み合わせを与える（ステップＳ４）。ここで、「新たなジャッキ１０４ａ及びその変位量の組み合わせを与える」とは、ジャッキ１０４ａの位置及びそれらの変位量が、変数であることを意味する。
【００２８】
そして、その新たなジャッキ１０４ａ（変形位置）及びその変位量の組み合わせについて、線形的重ね合わせの計算を用いて、それらに基づいて変形したノズル形状についてマッハ数分布を推定する（ステップＳ５）。ここで、「線形的重ね合わせの計算」は、ＣＦＤ解析により求められた単位量の変形による影響を利用するもので、同一の変形位置の場合には、変形量の大きさに比例して前記単位量の変形による影響を増加させることになるが、異なる変形位置での組み合わせの場合は、さらに、それぞれの変形位置での変形による影響を、単純に加算することになる。
【００２９】
その推定結果に基づき、測定部１０５のマッハ数の偏差が最小か否かを判定し（ステップＳ６）、その推定結果の偏差が最小であれば、測定部の気流分布を一様にするのに最適なジャッキ１０４ａ及びその変位量の組み合わせであると決定する（ステップＳ７）。尚、ノズル形状は上下あるいは左右対称とされる。
【００３０】
最小でなければ、すべてのジャッキ及びその変位量の組み合わせについての処理が終了したかを判定し（ステップＳ８）、終了していれば、最適なジャッキ１０４ａ及びその変位量の組み合わせが決定されており（ステップＳ９）、そのまま終了する。一方、終了していなければ、ステップＳ４に戻り、新たなジャッキの組み合わせ及び変位量を与え、ステップＳ５，ステップＳ６の処理を繰り返す。ここで、「すべてのジャッキの組み合わせ及びその変位量についての処理が終了したかの判定」とは、予めジャッキ１０４ａ（変形位置）、その位置での変形量を変数として変化させうる調整可能範囲が定められているので、その調整可能範囲のすべての組み合わせについて推定し、この推定結果の偏差が最小であるか否かの検討を終了したことを意味する。
【００３１】
また、前述した気流分布の調整の際に得られる、各変形位置の変形を最適化したノズル形状を、ジャッキ１０４ａ（アクチュエータ）のストローク量を制御する風洞設備の制御手段が、データベースとして備えるようにすることで、ＣＦＤ解析を利用した最適化処理を再度行うことなく、制御手段による調整制御により、各変形位置の変形を最適化したノズル形状に調整することが可能となる。すなわち、一旦測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状を求めておけば、それをデータベースとすることで、ＣＦＤ解析を利用した最適化処理を再度行う必要がなくなる。
【００３２】
前記実施の形態においては、予め決められたノズル形状を初期形状とする新設の超音速風洞設備の場合について説明しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、既設の風洞設備の可撓ノズルの形状を初期形状として、ノズル形状を調整（最適化）して、既設の風洞設備を改修することも可能である。
（第２の実施の形態）
図７は本発明に係る超音速風洞設備のノズル形状調整方法の第２の実施の形態を実施するための測定システムを、風洞設備に組み込んだ状態を示す説明図である。
【００３３】
本発明に係る第２の実施の形態（調整方法）を実施するためには、図７に示すように、集合胴１２から可撓ノズル１３を経て測定部１４に至る構成とされる既設の超音速風洞設備１１に、測定部１４での気流分布を測定するためのピトーレーク１８などを含む測定システムが組み込まれる必要がある。既設の風洞設備の場合には、ノズル初期形状が不明であるから、ＣＦＤ解析を利用することができず、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響を、ＣＦＤ解析に代えて実測する必要があるからである。
【００３４】
弾性変形可能に形成されている可撓ノズル１３には、可撓ノズル１３の形状を変更する複数のジャッキ１３ａ（アクチュエータ）が流れ方向に沿って一定間隔でもって取り付けられている。このジャッキ１３ａは、アクチュエータ設定用パソコン１５によって機側制御盤１６を介して制御され、可撓ノズル１３のノズル壁を押圧あるいは引いて変形させる（変形位置の変形）。
【００３５】
集合胴１２の集合胴圧力及び温度が第１の計測装置１７によって計測される。また、測定部１４には、模型支持装置３１上にピトーレーク１８が配設され、そのピトーレーク全圧が測定部静圧と共に第２の計測装置１９によって計測される。測定部１４でのピトーレーク位置が制御装置２０によって模型支持装置３１を移動させることで制御される。
【００３６】
そして、最適ノズル形状計算用パソコン２１によって第１及び第２の計測装置１７，１９、制御装置２０よりの信号に基づき、各ジャッキ１３ａ（変形位置）を単独に単位量変形させた場合における測定部１４での気流分布（マッハ数分布）が求められる。
【００３７】
この各ジャッキ１３ａの変形と測定部１４での気流分布の関係データを利用して、第１の実施の形態と同様に、最適ノズル形状が演算される。つまり、第１の実施の形態とは、図６におけるステップＳ１〜Ｓ３の処理に代えて、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響を、可撓性ノズルの測定部における気流分布計測による実測により求められる点が異なり、その後のステップＳ４〜Ｓ９の処理は同様に行われる。
【００３８】
このように、基本的には、第１の実施の形態と同様に、各ジャッキ１３ａにより単位量変化させ、その場合の測定部１４での気流分布の変化が求められ、それに基づき重ね合わせの原理により各変形位置の変形（ジャッキ１３ａによる変形）を最適化したノズル形状が決定される。つまり本実施の形態では、可撓ノズルのスロート部から測定部の入口までの間に複数の変形位置を特定し、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を可撓性ノズルの測定部における気流分布計測による実測により求め、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせ、測定部での気流分布を推定することになる。
【００３９】
その演算結果によって求められたアクチュエータ設定値（ジャッキ１３ａのストローク量）により、各ジャッキ１３ａが、アクチュエータ（ジャッキ）設定用パソコン１５によって機側制御盤１６を介して駆動制御される。このようにすれば、既設の風洞設備において、可撓ノズル１３のスロート部から測定部１４の入口の間の各変形位置において、ジャッキ１３ａによって最適化された変形を与えることにより、測定部１４において、現状のノズル形状よりも高い気流分布の一様性が与えられる。
【００４０】
また、前述した気流分布の調整の際に得られる、各変形位置の変形を最適化したノズル形状を、ジャッキ（アクチュエータ）のストローク量を制御する制御手段が、データベースとして備えるようになり、第１の実施の形態と同様に、再度実測を行うことなく、制御手段による調整制御により、各変形位置の変形を最適化したノズル形状に調整することが可能となる。
【００４１】
前述した方法での推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状をデータベースとして風洞設備が備えるようにすれば、風洞試験上必要とされるマッハ数分布を選択すれば、風洞設備がそのマッハ数分布を満たすように各変形位置の変形がなされ、測定部内の気流分布を一様化することが可能となる。
【００４２】
よって、超音速風洞設備として好ましい態様は、弾性変形可能に形成される可撓ノズルを有し、可撓ノズルのスロート部から測定部の入口までの間に複数の変形位置を特定し、この各変形位置に、その位置のノズル壁を変形させる複数のアクチュエータが設けられ、アクチュエータの作動による変形位置の変形により測定部での気流分布を調整する超音速風洞設備であって、前記複数のアクチュエータの作動を制御する制御手段が設けられ、この制御手段は、データベースとして、予め決められたノズル形状を初期形状として、可撓ノズルのスロート部から測定部の入口までの間に複数の変形位置を特定し、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求め、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせ、測定部での気流分布を推定し、測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状を備えているものである。
【００４３】
また、既設の超音速風洞設備に適用する場合には、制御手段が備えるデータベースは、可撓ノズルのスロート部から測定部の入口までの間に複数の変形位置を特定し、例えばピトーレークを測定部に配設して、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響を測定部における気流分布計測により求め、各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせ、測定部での気流分布を推定し、測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とすればよい。
【００４４】
なお、航空宇宙技術研究所・超音速風洞設備（１ｍ×１ｍ）において、本発明を用いてノズル形状の調整を実施することにより、図９に示すように、調整前に±１．０％を超えていた測定部中心マッハ数の偏差が、調整後には±０．５％以下となり、気流分布の一様化に効果が得られることが確認できた。
【００４５】
【発明の効果】
この発明は、以上に説明したように実施され、以下に述べるような効果を奏する。
【００４６】
本発明は、可撓ノズルの各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせることにより、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定できることを利用しているので、簡単に測定部において高い気流分布の一様性を持たせることができる。よって、新設の超音速風洞設備の場合には、従来の手法により設計されていた超音速ノズル（可撓ノズル）を有する風洞設備よりも、測定部において、より一層気流の一様性に優れる風洞設備を実現できる。また、既設の超音速風洞設備の場合には、超音速ノズル（可撓ノズル）を、測定部において、より一層気流の一様性に優れるように改修することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音速風洞の二次元ノズルを示す断面図である。
【図２】各変形位置に与える変形形状の説明図である。
【図３】単独変形によるマッハ数分布の変化を示す要部拡大断面図である。
【図４】単独変形、２箇所同時変形によるマッハ数分布の変化量、および２箇所のそれぞれの単独変形によるマッハ数分布の変化量の重ね合わせを示す要部拡大断面図である。
【図５】初期形状および最適形状のマッハ数分布を示す要部拡大断面図である。
【図６】本発明に係る超音速風洞設備のノズル形状調整方法の第１の実施の形態についての処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】本発明に係る超音速風洞設備のノズル形状調整方法の第２の実施の形態を実施するための測定システムを、風洞設備に組み込んだ状態を示す説明図である。
【図８】一般の超音速風洞設備の概略構成図である。
【図９】実機を用いてノズル形状の調整前と調整後の測定部マッハ数分布を比較した図である。
【符号の説明】
１ ノズルスロート部
２ 測定部の入口
３ ノズル変形位置
３ａ ノズル変形位置
３ｂ ノズル変形位置
４ 測定部
５ ノズル変曲点
６ 初期設計ノズル曲線
７ 変形ノズル曲線
１１ 風洞設備
１３ 可撓ノズル
１３ａ ジャッキ（アクチュエータ）
１４ 測定部
１８ ピトーレーク
１０１ 超音速風洞設備
１０４ 可撓ノズル
１０４ａ ジャッキ（アクチュエータ）
１０５ 測定部

Claims (3)

1. 弾性変形可能に形成される可撓ノズルを有し、可撓ノズルのスロート部から測定部の入口までの間に複数の変形位置を特定し、この各変形位置の変形により測定部での気流分布を調整する超音速風洞設備のノズル形状調整方法であって、
   予め決められたノズル形状を初期形状として、各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求め、
   各変形位置における単独の変形による測定部内の気流分布に与える影響を重ね合わせることにより、それらの変形を同時に与えたときの測定部での気流分布を推定し、
   この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とすることを特徴とする超音速風洞設備のノズル形状調整方法。
2. 各変形位置における単独の変形が測定部内の気流分布に与える影響をＣＦＤ解析により求めるのに代えて、可撓性ノズルの測定部における気流分布計測による実測により求める請求項１記載の超音速風洞設備のノズル形状調整方法。
3. 予め変形位置及びその位置での変形量を変数として、調整可能範囲でそれらの多数の組み合わせが定められており、
   その調整可能範囲におけるすべての組み合わせについて測定部での気流分布を推定し、この推定に基づき測定部内の気流分布を一様化するように各変形位置の変形を最適化したノズル形状とする請求項２記載の超音速風洞設備のノズル形状調整方法。

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