JP2013029423A - 流速及び粒径計測方法、ならびにそのシステム - Google Patents

Abstract

【課題】コスト増加を伴うことなく粒径及び流速の高精度な同時計測を可能とする流速及び粒径計測方法、ならびにそのシステムを提供する。
【解決手段】測定対象物内を流れる作動流体に係わる第１の相の流速を測定する第１の測定装置、測定対象物を流れる作動流体中の粒子に係わる第２の相の流速を測定する第２の測定装置、第１、第２の測定装置にて測定された第１の相の流速、第２の相の流相から、第１の相の流速、第２の相の流速、粒子の粒径の間に成立する相関式を予め求め、相関式に対し、測定した第１の相の流速と、第２の相の流速とを導入して、測定対象物内を流れる粒子の粒径を算出する演算装置を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、流速及び粒径計測方法、ならびにそのシステムに関する。

ガスタービン、蒸気タービン、水車等に代表されるターボ型流体機械や、ピストンエンジン、ギヤポンプ、スクリューポンプ等に代表される容積型流体機械、また熱交換器等の各種流体機械、あるいは単純な配管内部等を流れる流体の内部流動を把握する際に、ピトー管を用いた気相流速の計測が行われている。

近年、非接触光学計測が進歩して粒子画像速度計法（Particle Image Velocimetry、以下ＰＩＶと称する）、粒子追跡速度計法（Particle Tracking Velocimetry、以下ＰＴＶと称する)、あるいは高速度カメラ等を用いて計測する可能性が見出されてきた。

これらの手法を用いて流速を計測する場合、流体機械あるいは配管内部の流れに追従できるほど小さな固体または液体の微粒子或いは微小な気泡をトレーサとして積極的に混入する必要がある。

また、トレーサを混入せずに、蒸気タービン内部の凝縮した水滴や自動車用エンジン内部の微粒化した液体燃料そのものをトレーサとして利用する場合、気流にこれらの凝縮水滴や微粒化した液体燃料が追従しているかどうかが問題となる。トレーサとしての凝縮水滴や微粒化した液体燃料が気流に追従できない程粒径が大きい場合、流速計測誤差は非常に大きくなる。

以下に記載する特許文献１では、ＰＩＶ手法に基づいて流体機械内部の流速計測を行うための装置を記載しているが、粒径の計測を行うことはできなかった。

特開２０１０−２４３１９７号公報

従来の手法には、流体機械内部の画像を撮影可能にするため、透明な材料で製作した流体機械の筐体へ微小粒子をトレーサとして積極的に混入し、流速を計測するものがあった。

しかしこの手法は、実験室で行なうことを前提に製作した試験装置であって、筐体を計測用に透明な材料で製作する必要がある。実機寸法の蒸気タービン等のケーシングを、透明材料で製作することは困難である。さらに、仮に透明材料で製作できたとしても、凝縮した水膜がケーシング内壁面に付着し、計測対象面としてのレーザシート光から散乱する光がケーシング面で再度散乱し、屈折することとなる。

１本のプローブに計測機能を収納し、ターボ機械内部の流速を計測する事例も報告されている。また、位相ドップラ粒子分析計（Phase Doppler Particle Analyzer、以下ＰＤＰＡという）等の計測原理を用いた装置により、流体機械内部を計測することも考えられていた。流速と粒径とを同時に計測することが可能な装置を用いて、流体機械の内部流動を把握することが望ましいが、流速と粒径を同時に計測することが可能な装置は従来は特に光学系の計測ヘッド部が大きく、流体機械内部に設置することが困難であった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、装置改造や計測信頼性の低下、大幅なコスト増加を伴うことなく、粒径及び流速の高精度な同時計測を可能とする流速及び粒径計測方法、ならびにそのシステムを提供することを目的とする。

本発明の流速及び粒径計測システムは、
測定対象物内を流れる前記作動流体に係わる第１の相の流速を測定する第１の測定装置と、前記測定対象物を流れる前記作動流体中の粒子に係わる第２の相の流速を測定する第２の測定装置と、
前記第１の測定装置及び前記第２の測定装置にて測定された前記第１の相の流速、前記第２の相の流速から、前記第１の相の流速、前記第２の相の流速、前記粒子の粒径の間に成立する相関式を予め求め、前記相関式に対し、測定した前記第１の相の流速と、前記第２の相の流速とを導入して、前記測定対象物内を流れる前記粒子の粒径を算出する演算装置と、
を備えることを特徴とする。

本発明の流速及び粒径計測方法は、
風洞実験により、作動流体に係わる第１の相の流速、前記作動流体中を流れる粒子に係わる第２の相の流速、前記粒子の粒径を測定し、前記第１の相の流速、前記第２の相の流速、前記粒子の粒径の間に成立する相関式を求める工程と、
測定対象物内を流れる前記作動流体に係わる第１の相の流速と、前記測定対象物を流れる前記作動流体中の粒子に係わる第２の相の流速をそれぞれ測定する工程と、
演算装置を用いて、前記相関式に対し、測定した前記第１の相の流速と、前記第２の相の流速とを導入して、前記測定対象物内を流れる前記粒子の粒径を算出する工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明の流速及び粒径計測方法、ならびにそのシステムによれば、装置改造等の大幅なコスト増加を伴うことなく、粒径及び流速を高精度に同時計測を行うことが可能である。

本発明の実施の形態による流速及び粒径計測システムを用いて行う計測方法における工程を示したフローチャート。 同流速及び粒径計測方法における相関式を求めるための風洞実験を示した斜視図。 気相流速、液相流速、粒径の関係を示した説明図。 風洞実験により得られた液相流速と粒径との関係を示すグラフ。 風洞実験により得られたスリップ比（気相流速／液相流速）と粒径との関係を示すグラフ。 ピトー管をタービンに取り付けた状態を示す平面図。 図６におけるＡ−Ａ’線に沿う同ピトー管をタービンに取り付けた状態の断面構造を示す縦断面図。 同流速及び粒径計測方法における液相流速を求めるためのＰＩＶ計測装置の概略を示した断面図。 同ＰＩＶ計測装置の先端部分の概略を示す平面図。 図９におけるＢ−Ｂ’線に沿う同ＰＩＶ計測装置の先端部分の断面構造を示す縦断面図。 同ＰＩＶ計測装置をタービンに取り付けた状態を示す平面図。 図１１におけるＣ−Ｃ’線に沿う同ＰＩＶ計測装置をタービンに取り付けた状態の断面構造を示す縦断面図。 タービン内実測結果に基づく液相流速と翼間位置との関係を示すグラフ。 同流速及び粒径計測方法における相関式に基づいて求めた粒径と翼間位置との関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施の形態による流速及び粒径計測方法、ならびにそのシステムについて、図面を参照して説明する。本実施の形態では、ターボ機械内の粒体の内部流動を把握する場合を例にとり説明する。

本実施の形態では、計測対象となるパラメータ数Ｎが３（気相流速、粒径、液相流速）であり、図１のフローチャートにこれらのパラメータを求める手順について工程別に示す。

尚、本実施の形態では、作動流体による第１の相が気相に相当し、作動流体中を流れる粒子による第２の相が液相に相当する。

ステップＳ１１として、気相流速Ｖｇ、粒径ｄ、液相流速Ｖｌの相関式１であるｆ(ｄ)＝Ｖｇ／Ｖｌを風洞試験を行うことにより導出する。

ステップＳ１２として、ターボ機械内部の２つの計測パラメータ数である気相流速Ｖｇ、液相流速Ｖｌを実測する。

ステップＳ１３として、ステップＳ１１により求めた相関式に、ステップＳ１２により求めた２つの計測パラメータである気相流速Ｖｇ、液相流速Ｖｌを適用し、残る１つの計測パラメータである粒径ｄを算出する。これにより、粒径ｄと気相流速Ｖｇ、液相流速Ｖｌの同時計測が可能となる。

本実施の形態では、このようなステップＳ１１〜Ｓ１３を備えたことにより、相関式１を導出し、気相流速Ｖｇ、液相流速Ｖｌを実測し、これらを用いて粒径ｄを求めており、具体的には、それぞれのステップにおいて行う処理の内容について詳述する。

先ず、ステップＳ１１における風洞実験により相関式を求める工程について説明する。

図２に示されたような風洞吹出口３３から気流を出すエッフェル型風洞３１、平均水滴径２５μｍ、最大水滴径１００μｍの水滴を矢印３８の方向に噴霧するスプレーノズル３２、レーザ光３７を出力するトランスミッタ３４、レーザ光３７を受光するレシーバ３５、気相流速を計測するため計測点近傍に設置されたピトー管３６を備えたＰＤＰＡを用いる。エッフェル型風洞３１内に噴霧するスプレーノズル３２によって、気液二相の流れが形成される。この流れは、矢印３８の方向に流動する。ＰＤＰＡにより得られた結果に対し、コンピュータ４０及びモニタ４１を用いて処理を行う。

ここで、トランスミッタ３４、レシーバ３５、ピトー管３６は、水滴が流れる矢印３８の方向へ移動できるように、トラバース装置３９に取り付けてある。

風洞吹出口３３から所定距離離れた位置における流速計測範囲を−１５０〜１０００ｍ／ｓ、粒径計測範囲を０．５〜４０００μｍ、最大サンプリングレートを８００ｍＨｚとする。

このような構成を備えたＰＤＰＡを用いて風洞実験を行うと、図３に示されたように、気相流速Ｖｇ中に異なる粒径ｄの水滴が混入して液相流速Ｖｌで並進する流れ場が形成される。液相流速Ｖｌと粒径ｄは図２を用いて説明したＰＤＰＡを用いて計測する。

気相流速が１０、３０、１２５ｍ／ｓの３条件において、スプレーノズル３２への給水流量、及び風洞吹出口３３からの距離ｘをそれぞれ固定して風洞実験を行い得られた各気相流速における液相流速Ｖｌと粒径ｄとの関係を図４に示す。

図４に示すように、気相流速Ｖｇが１０ｍ／ｓ、水滴の粒径が１〜１０μｍの場合は、水滴の液相流速Ｖｌは、ほぼ気相流速Ｖｇと同じ速度で流動する。しかし、気相流速Ｖｇが上昇し、あるいは粒径ｄが大きくなるに従って液相流速Ｖｌは気相流速Ｖｇに追従できなくなることが分かる。

この図４中には、３種類の気相流速Ｖｇにおける液相流速Ｖｌと粒径ｄとの関係を示す曲線を併せて示す。この曲線は、気相流速Ｖｇ、風洞吹出口３３からの距離ｘを関数とする係数C１、C２を導入した以下の式（１）のような指数関数により表現することができる。
Ｖｌ（ｘ）＝Ｃ１・ｅ^{−ｃ２・ｄ} （１）

さらに、この式（１）を、スリップ比Ｓ（＝Ｖｇ／Ｖｌ）を導入して正規化すると、気相流速、風洞吹出口からの距離ｘを関数とし係数Ｃ３、Ｃ４を用いて以下の式（２）のような指数関数を得ることができる。
Ｓ（ｘ）＝Ｃ３・ｅ^Ｃ４・ｄ （２）

この式（２）を用いて、気相流速Ｖｇ毎にスリップ比Ｓと粒径ｄとの関係を図示すると、図５のようである。この式（２）は、ステップＳ１２における気相流速Ｖｇ、粒径ｄ、液相流速Ｖｌの相関式に相当するものである。

図５に示すように、気相流速Ｖｇが１０ｍ／ｓの場合には、粒径ｄが大きくなると、スリップ比Ｓは若干大きな値を示している。一方、気相流速Ｖｇが１２５ｍ／ｓの場合には、粒径ｄが大きくなると、気相流速Ｖｇが１０ｍ／ｓの場合と比較して、スリップ比Ｓが大きな値を示している。よって、気相流速Ｖｇが速く、粒径ｄが大きい場合には、スリップ比Ｓは、式(２)に示すように、指数関数的に大きくなっていることが分かる。

本実施の形態では、このような相関式を導出するために行う風洞試験において、粒径ｄと液相流速Ｖｌの計測にＰＤＰＡを用いる場合について説明した。しかし風洞試験に用いる装置はＰＤＰＡに限定されず、これらのパラメータを計測することが可能なＰＴＶ、高速度カメラ、画像干渉法、画像解析法等の他の計測原理に基づく計測装置を用いてもよい。

また、これらのパラメータの計測は必ずしも同時である必要はなく、複数の装置を組み合わせて個別にパラメータを計測し相関式を導出してもよい。

さらに、気相流速Ｖｇは図６、及び図６におけるＡ−Ａ’線に沿う縦断面を示した図７に示されたようなピトー管１０１を用いて計測する。

図６、図７に示すように、ターボ機械における羽根（タービン翼）１０２、ノズル（静翼）１０３の間にピトー管１０１を設置する。矢印１０４で示された方向に蒸気が流れ、ピトー管１０１により計測領域１０１ａにおける気相流速Ｖｇが計測される。

次に、図１におけるステップＳ１２の工程、即ちターボ機械内部の２つの計測パラメータ数として気相流速Ｖｇ及び液相流速Ｖｌの実測について説明する。ターボ機械内部の気相流速Ｖｇの実測を、図８、図９を用いて説明する。 液相流速Ｖｌの実測には、特許文献１において提案されている図８に示されたＰＩＶ計測装置１を用いて行なう。このＰＩＶ計測装置１は、レーザ光３を発振するＰＩＶ用レーザ発振装置２、レーザ光３をタービン内へ導くミラー１０等の光学系、レーザ光３をシート状のレーザシート光６に変換するシート光形成用光学系４、レーザシート光６をタービン内のボアスコープ視野５へ向けて出力するガラス窓１１、レーザシート光６で照明されたボアスコープ視野５におけるトレーサの２次元画像を撮影するためのボアスコープ７、ボアスコープ７に接続された撮像素子を含むＰＩＶ用カメラ８が１本のプローブとして構成されており、さらにＰＩＶ用カメラ８を動作させるためのカメラ用電源１３、ＰＩＶ用レーザ発振装置２の発振とＰＩＶ用カメラ８の撮影の同期を制御する同期コントローラ１４、ＰＩＶ用レーザ発振装置２に電源電力を供給するレーザ電源１５、全体の動作を制御するコンピュータ１６が設けられている。

さらに、ＰＩＶ計測装置１は、光端部分の拡大を示す図９、並びに図９のＢ−Ｂ’線に沿う縦断面を示す図１０のように、レーザシート光形成用光学系４において、レーザ光発振装置２から発振されたレーザ光３がレーザシート光６に変換されて放射され、一方、パージ孔２１から空気が供給されて、計測を阻害する要因のガラス窓１１に付着する水滴が除去される。ボアスコープ７は、プローブの長手方向と平行に、計測対象の流体側へ向けて直線状に延在し、流体内に現れた画像をＰＩＶ用カメラ８に伝送するための画像伝送路と、画像伝送路の先端部においてボアスコープ視野５の方向を変更するための図示されていない視野側プリズムとを有する。また、ボアスコープ視野５における中心に相当し一点鎖線で示された視野方向がレーザシート光６の照射方向に対して常に直交するように、両者のなす角度は９０度を維持するように設定されている。尚、ボアスコープ視野５の視野方向とボアスコープ７の長手方向とのなす角度は１２０度に設定されており、レーザシート光６の照射方向とボアスコープ７とのなす角度は３０度に設定されている。 ＰＩＶ計測装置１を、図１１、並びに図１１におけるＣ−Ｃ’線に沿う縦断面を図１２に示す。これらの図に示すように、タービン内における羽根（タービン翼）１０２、ノズル（静翼）１０３の間にＰＩＶ計測装置１を設置する。図１２において、矢印１０４で示された方向に蒸気が流れる。ＰＩＶ計測装置１において、図９、図１０を用いて説明したように、レーザシート光６が照射されボアスコープ視野５が形成される。このボアスコープ視野５が計測領域に対応し、この領域における粒子流速Ｖｌの計測を行う。尚、図６、図７に示された気相流速Ｖｇを計測するためのピトー管１０１は、ノズル（静翼）１０３に対してピトー管１０１の計測領域１０１ａとＰＩＶ計測装置１の計測領域１ａとが一致し周方向に異なる位置にそれぞれ取り付けて計測を行う。

以下、図１３を用いて、気相流速Ｖｇと液相流速Ｖｌを計測した結果について説明する。出力が３５ｍＷで、低圧６段落３６００ｒｐｍの実機サイズの蒸気タービンの最終段落ノズル出口に、図１１、図１２を用いて説明したようにＰＩＶ計測装置１を取り付けて、ノズル出口湿り度３．４％、５．４％の２条件で計測を行った。ＰＩＶ計測装置１は、図１１、図１２においてノズル（静翼）１０３の高さ方向（Ｙ方向）を固定し、翼間ピッチ方向（Ｘ方向）へトラバースして計測した。

図１３に、翼間位置Ｘ／Ｘｔに対するピトー管１０１を用いて計測した気相流速Ｖｇ、ＰＩＶ計測装置１を用いて計測した液相流速Ｖｌのそれぞれの関係を示す。ここで、横軸の翼間位置Ｘ／Ｘｔは、二つのノズル（静翼）１０３の間において、中心を「０」、上流側のノズル（静翼）１０３の位置を「１」、下流側のノズル（静翼）１０３の位置を「−１」とする翼間距離で無次元化された座標軸上の位置を示す。

図１３において、翼間位置Ｘ／Ｘｔにおいて下流に相当するＸ／Ｘ＝−０．３の位置では、湿り度が３．４％のとき、気相流速Ｖｇ∽に対する液相流速Ｖｌの比を示すスリップ比は約４６％であり、湿り度が５．４％のときはスリップ比が約５５％にまで減速していることが確認される。

一方、翼間位置Ｘ／Ｘｔにおいてより上流側の−０．３＜Ｘ／Ｘt＜０．７の範囲では、スリップ比は湿り度が３．４％のとき約９２％、湿り度が５．４％のとき約７４％から８３％の間で流動していることがわかる。 よって、翼間位置Ｘ／Ｘｔにおいて、上流側の位置の方が下流側の位置よりも、スリップ比が大きいことが分かる。

次に、図１４に示すように、図１におけるステップＳ１３の工程、即ち、ステップＳ１１により求めた相関式に、ステップＳ１２により求めた２つの計測パラメータである気相流速Ｖｇ、液相流速Ｖｌを適用し、残る１つの計測パラメータである粒径ｄを算出した結果について説明する。

図１３に示した気相流速Ｖｇ、液相流速Ｖｌの比（スリップ比）を求めて数式１に適用することで、粒径ｄを求めることができる。この結果を、図１４のグラフにおいて、翼間距離Ｘ／Ｘｔに対する粒度ｄとして示す。

この図１４より、ノズル（静翼）１０３の下流に位置する翼間距離Ｘ／Ｘtが−０．３の位置では、粒度ｄが９０〜１２０μｍの粒子が流動し、翼間距離−０．３＜Ｘ／Ｘt＜０．７の範囲の位置では、粒度ｄが５０μｍ以下の粒子が流動することがわかる。

本実施の形態によれば、流体機械や配管等の内部流動を把握する際に、作動流体の流速とトレーサの流速及び粒径の相関関係を予め求めておき、作動流体の流速とトレーサの流速を実測することで粒径を算出することが可能となる。

相関関係を導出する際、相関式を構成するＮ個のパラメータの全てを同時計測することが可能な装置を用いて相関式を導出してもよいが、これに限らず、相関式を構成する少なくとも１つ以上のパラメータの計測が可能な複数の装置を組合せて全てのパラメータを計測することによって相関式を導出してもよい。

上述した実施の形態では、蒸気タービン内の気液二相流の流速粒径計測を例として説明した。本実施の形態では上述したように、作動流体による第１の相が気相に相当し、作動流体中を流れる粒子による第２の相が液相に相当する。

しかし、本発明はこれに限定されず、例えば自動車用エンジン内における気相（第１の相）と気体中の微細化した液体燃料による液相（第２の相）とを対象とする流れ場、ビール等の炭酸飲料の工場等における液相（第１の相）と液体中の気泡による気相（第２の相）とを対象とする流れ場、あるいは製粉工場、化粧品工場等における気相（第１の相）と気体中の粒子としての粉体（固体）による固相（第２の相）とを対象とする流れ場等、様々な混相流における第１、第２の相の流速、第２の相の粒径等の計測に対しても適用することができる。

１ ＰＩＶ計測装置
２ ＰＩＶ用レーザ発振装置
３、３７ レーザ光
４ シート光形成用光学系
５ ボアスコープ視野
６ レーザシート光
７ ボアスコープ
８ ＰＩＶ用カメラ
１０ ミラー
１１ ガラス窓
１３ カメラ用電源
１４ 同期コントローラ
１５ レーザ電源
１６、４０ コンピュータ
２１ パージ孔
３１ エッフェル型風洞
３２ スプレーノズル
３３ 風洞吹出口
３４ トランスミッタ
３５ レシーバ３６、１０１ ピトー管
３９ トラバース装置
４１ モニタ
１０２ 羽根（タービン翼）
１０３ ノズル（静翼）

Claims (11)

1. 測定対象物内を流れる作動流体に係わる第１の相の流速を測定する第１の測定装置と、前記測定対象物を流れる前記作動流体中の粒子に係わる第２の相の流速を測定する第２の測定装置と、
   前記第１の測定装置及び前記第２の測定装置にて測定された前記第１の相の流速、前記第２の相の流速から、前記第１の相の流速、前記第２の相の流速、前記粒子の粒径の間に成立する相関式を予め求め、前記相関式に対し、測定した前記第１の相の流速と、前記第２の相の流速とを導入して、前記測定対象物内を流れる前記粒子の粒径を算出する演算装置と、
   を備えることを特徴とする流速及び粒径計測システム。
2. 前記相関式において、係数をＣ３、Ｃ４とし、前記第１の相の流速と前記第２の相の流速との比に相当するスリップ比をＳとした場合に、風洞吹出口からの距離ｘを関数とするスリップ比Ｓ（ｘ）と、前記粒径ｄとの間に、Ｓ（ｘ）＝Ｃ３・ｅ^Ｃ４・ｄ という関係が成立することを特徴とする請求項１記載の流速及び粒径計測システム。
3. 前記第２の測定装置が、レーザ光を発振するレーザ光発振部と、前記レーザ光をシート状に変換したレーザシート光を測定対象物内を流れる作動流体内に照射するレーザシート光形成部と、前記レーザシート光により照明されたトレーサの２次元画像を撮像する画像撮像部と、前記レーザ光発振部の発振と前記画像撮影装置の撮像の同期を制御する同期コントローラとを有するＰＩＶ計測装置であることを特徴とする請求項１又は２記載の流速及び粒径計測システム。
4. 前記第２の測定装置として、ＰＴＶ装置、ＬＤＶ装置、又は高速度カメラのいずれかが用いられることを特徴とする請求項１又は２記載の流速及び粒径計測システム。
5. 前記第１の測定装置として、ピトー管が用いられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の流速及び粒径計測システム。
6. 前記測定対象物は蒸気タービンであり、前記第１の相は気相、前記第２の相は液相、前記粒子は水滴であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流速及び粒径計測システム。
7. 作動流体に係わる第１の相の流速、前記作動流体中を流れる粒子に係わる第２の相の流速、前記粒子の粒径を測定し、前記第１の相の流速、前記第２の相の流速、前記粒子の粒径の間に成立する相関式を求める工程と、
   測定対象物内を流れる前記作動流体に係わる第１の相の流速と、前記測定対象物を流れる前記作動流体中の粒子に係わる第２の相の流速をそれぞれ測定する工程と、
   演算装置を用いて、前記相関式に対し、測定した前記第１の相の流速と、前記第２の相の流速とを導入して、前記測定対象物内を流れる前記粒子の粒径を算出する工程と、
   を備えることを特徴とする流速及び粒径計測方法。
8. 前記測定対象物は蒸気タービンであり、前記第１の相は気相、前記第２の相は液相、前記粒子は水滴であることを特徴とする請求項７記載の流速及び粒径計測方法。
9. 前記測定対象物は自動車用エンジンであり、前記第１の相は気相、前記第２の相は液相、前記粒子は液体燃料であることを特徴とする請求項７記載の流速及び粒径計測方法。
10. 前記測定対象物は炭酸飲料であり、前記第１の相は気相、前記第２の相は液相、前記粒子は気泡であることを特徴とする請求項７記載の流速及び粒径計測方法。
11. 前記測定対象物は製粉、化粧品であり、前記第１の相は気相、前記第２の相は固相、前記粒子は粉体であることを特徴とする請求項７記載の流速及び粒径計測方法。

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