KR102621165B1 - 벨마우스 - Google Patents

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KR102621165B1
KR102621165B1 KR1020210152108A KR20210152108A KR102621165B1 KR 102621165 B1 KR102621165 B1 KR 102621165B1 KR 1020210152108 A KR1020210152108 A KR 1020210152108A KR 20210152108 A KR20210152108 A KR 20210152108A KR 102621165 B1 KR102621165 B1 KR 102621165B1
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민준기
이준석
김동화
방민호
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국방과학연구소
부산대학교 산학협력단
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/07—Arrangement or mounting of devices, e.g. valves, for venting or aerating or draining

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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Pipe Accessories (AREA)

Abstract

일 실시예에 따른 벨마우스는, 상단부로부터 하단부를 향하는 방향으로 직경이 감소하는 형태로 형성되어, 유체가 유입될 수 있는 유입부, 및 상기 유입부의 하단부에 배치되고, 유입된 상기 유체가 유동되는 관부를 포함하고, 상기 유입부는, 상기 유입부 상에 형성되어 유입되는 유체의 유동을 보정하는 감쇠영역을 포함하고, 상기 유입부를 향해 진행되는 제1 유동의 방향과 상기 유입부 및 상기 관부 내에서 진행되는 제2 유동의 방향은 서로 상이할 수 있다.

Description

벨마우스{Bell mouth}
본 발명은 벨마우스에 관한 발명이다.
벨마우스란, 유체의 흡입 파이프(suction　pipe)의 끝단에 흡입이 쉽도록 설치하는 흡입구를 일컫는다. 유입되는 유체의 유동 균일도를 증가시키고 난류 및 압력 강하를 줄이기 위하여, 통상적으로 벨마우스의 흡입구(관단부)는 나팔 모양으로 벌어져 있다. 이에 따라 벨마우스의 전체적인 형상은 종(bell) 모양, 또는 깔때기(funnel) 모양으로 형성된다.
종래의 벨마우스는 일반적으로, 벨마우스로 유입되는 유체의 유동 방향과 벨마우스 입구 근위의 유동의 방향이 일치하는 경우에 관하여 설계되었다. 그러나, 유로 설치 공간 조건이 제한되는 특수한 경우, 입구부의 유동과 벨마우스로 유입되는 유동의 방향이 서로 다른 경우가 존재할 수 있으며, 이는 시스템의 압력 강하 및 관 내 유동 균일도에 영향을 미친다.
보다 자세하게는, 유체의 유동 방향과 수직한 방향으로 설치된 벨마우스의 경우, 유체가 벨마우스의 유입부로 유동하는 과정에서 상당한 정도의 압력 강하 및 와류(Vortex)로 인한 유체의 재순환 영역이 발생되어, 이로 인하여 시스템의 성능이 저하될 수 있다.
따라서, 유체의 유동 방향과 수직한 방향으로 설치되는 경우 와류의 발생과 압력강하를 저감시키고, 유동의 균일도를 높일 수 있는 벨마우스가 필요한 실정이다.
종래기술의 일 예로서 한국 공개특허 제2017-0000068 (공개일 2017년 01월 04일) 에는 와류 방지용 흡입 벨마우스 유닛에 관하여 기재되어 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시예에 따른 목적은, 외부 유체의 유동 방향과 벨마우스로 유입되는 유체의 유동 방향이 일치하지 않는 제약된 공간 내에서 설치될 수 있는 벨마우스를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은, 벨마우스로 유입되는 유체의 압력 강하를 저감시키고, 속도분포의 균일도를 높일 수 있는 벨마우스를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은, 벨마우스의 주변 공간에 발생하는 와류 및 와류로 인한 유체의 재순환을 저감시키는 것이다.
일 실시예에 따른 벨마우스는, 상단부로부터 하단부를 향하는 방향으로 직경이 감소하는 형태로 형성되어, 유체가 유입될 수 있는 유입부, 및 상기 유입부의 하단부에 배치되고, 유입된 상기 유체가 유동되는 관부를 포함하고, 상기 유입부는, 상기 유입부 상에 형성되어 유입되는 유체의 유동을 보정하는 감쇠영역을 포함하고, 상기 유입부를 향해 진행되는 제1 유동의 방향과 상기 유입부 및 상기 관부 내에서 진행되는 제2 유동의 방향은 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 유동의 방향과 상기 제2 유동의 방향은 수직일 수 있다.
상기 유입부는 상기 관부에 대하여 기 설정된 각도로 틸팅될 수 있다.
상기 설정된 각도는 6도 내지 8도일 수 있다.
상기 감쇠영역은, 상기 유체의 상기 제1 유동의 방향과 마주보는 방향의 유입부의 일 부분 상에 형성될 수 있다.
상기 감쇠영역은 상기 유입부로 안내되는 상기 유체의 일부를 투과시킬 수 있다.
상기 감쇠영역은, 상기 유입부의 일 부분의 표면에 형성된 복수 개의 홀을 포함할 수 있다.
상기 감쇠영역의 면적은 상기 유입부의 전체 면적의 50%를 차지할 수 있다.
각각의 상기 홀의 면적의 합은 상기 감쇠영역의 면적의 5% 내지 10%를 차지할 수 있다.
상기 감쇠영역은 투과성 물질로 형성될 수 있다.
상기 유입부 및 상기 관부의 단면의 형상은 원형, 사각형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 벨마우스는, 외부 유체의 유동 방향과 벨마우스로 유입되는 유체의 유동 방향이 일치하지 않는 제약된 공간 내에서 설치될 수 있다.
일 실시예에 따른 벨마우스는, 벨마우스로 유입되는 유체의 압력 강하를 저감시키고, 속도분포의 균일도를 높일 수 있다.
일 실시예에 따른 벨마우스는, 벨마우스의 주변 공간에 발생하는 와류 및 와류로 인한 유체의 재순환을 저감시킬 수 있다.
도1은 종래의 벨마우스를 나타낸다.
도2는 일 실시예에 따른 벨마우스가 유로 내에 설치된 형상을 나타낸다.
도3은 일 실시예에 따른 벨마우스의 입체도를 나타낸다.
도4는 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부의 형태를 나타낸다.
도5는 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부의 틸팅 각도에 따라 변화되는 유체의 유동을 나타낸다.
도6은 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부의 틸팅 각도에 따라 변화되는 유체의 압력 강하 및 속도 표준 편차를 나타낸다.
도7은 일 실시예에 따른 벨마우스의 감쇠영역의 다공성 수치에 따라 변화되는 유체의 유동을 나타낸다.
도8은 일 실시예에 따른 벨마우스의 감쇠영역의 다공성 수치에 따라 변화되는 유체의 압력 강하 및 속도 표준 편차를 나타낸다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시예에 따른 벨마우스의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 벨마우스의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 벨마우스의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도1은 종래의 벨마우스를 나타낸다.
도1을 참조하면, 통상적으로 종래의 벨마우스는 유체가 유입되는 유입부(100), 및 유입부로 유입된 유체가 유동되는 관부(200)로 구분되어, 전체적으로 깔때기(funnel) 모양의 형상으로 형성된다.
이때, 벨마우스가 설치되는 유체 환경에 있어서, 벨마우스의 유입부 근위에서 유입부를 향해 진행되는 유체의 유동(F1)방향, 및 벨마우스의 유입부로 유입되어 상기 유입부 및 상기 관부 내에서 진행되는 유체의 유동(F2)방향은 서로 일치하는 경우가 일반적이다.
여기서, 이하 벨마우스의 유입부 근위에서 상기 유입부를 향해 진행되는 유동을 제1 유동, 벨마우스로 유입되어 상기 유입부 및 상기 관부 내에서 진행되는 유체의 유동을 제2 유동으로 정의한다.
도2는 일 실시예에 따른 벨마우스가 유로 내에 설치된 형상을 나타낸다.
도3은 일 실시예에 따른 벨마우스의 입체도를 나타낸다.
도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 벨마우스가 설치되는 유체환경은, 종래의 벨마우스가 설치되는 유체환경과 상이할 수 있다. 보다 구체적으로는, 제한된 설치환경 및 유로의 제약적 형상으로 인하여, 제1 유동(F3)의 방향 및 제2 유동(F4)의 방향이 일치하지 않을 수 있으며, 특히 제1 유동(F3)과 제2 유동(F4)의 방향이 수직일 수 있다.
다만, 일 실시예에 따른 벨마우스가 설치되는 유로(S)의 형상은 도2에서의 유로(S)의 형상으로 제한되는 것은 아니며, 일 실시예에 따른 벨마우스는 필요에 따라 다종다양한 형태의 유로에 설치될 수 있다. 이 경우, 일 실시예에 따른 벨마우스가 설치되는 유로 내의 구조적 위치도 경우에 따라 상이할 수 있다.
도2에서와 같이, 제1 유동(F3)의 방향과 제2 유동(F4)의 방향이 수직인 경우, 종래의 벨마우스는 그 형상으로 인하여, 유입부의 전후 공간에 와류(소용돌이 형태의 유동, vortex)가 발생되고, 이는 유체역학적으로 유체의 압력 손실 및 유동 균일도의 저하로 이어지게 된다.
반면, 일 실시예에 따른 벨마우스는, 이처럼 구조적 제약이 있는 제한된 공간에 벨마우스가 설치되는 경우, 종래의 벨마우스에 비해 효율적으로 기능하여 보다 효과적으로 유체를 흡입할 수 있다.
도2를 참조하면, 먼저 일 실시예에 따른 벨마우스는 종래의 벨마우스와 같이, 유체가 유입되는 나팔 형상의 유입부(100), 및 유입된 유체가 유동되는 관부(200)를 포함할 수 있다.
더하여, 일 실시예에 따른 벨마우스는, 전술한 와류 발생 및 압력강하 현상을 저감시키도록 유체의 유동을 보정하는 감쇠영역(110)을 유입부(100)의 일부분에 포함할 수 있다.
상기 감쇠영역(110)은, 벨마우스의 내측으로 향하는 제1 유동(F3)의 일부가 투과될 수 있도록 형성될 수 있으며, 제1 유동(F3)의 일부가 감쇠영역(110)을 투과함으로써, 유체가 벨마우스로 유입되는 경우에 발생하는 와류, 및 와류로 인하여 발생하는 유체의 재순환 현상을 저감시킬 수 있다.
이때, 감쇠영역(110)은 깔때기 모양으로 형성된 유입부(100)의 표면 중, 제1 유동(F3)의 방향과 마주보는 방향의 표면에 형성될 수 있다. 이하 유입부(100)의 표면 중 제1 유동(F3)과 마주보는 방향의 표면을 후류(後流)부 로 정의한다.
후류부는, 나팔 모양으로 형성된 유입부(100) 표면 중 절반(도2 참조)일 수 있다. 다만, 후술할 바와 같이 유입부(100)의 형태가 원형이 아닌 형상으로 형성될 경우, 휴류부는 반드시 유입부 표면 중 절반인 것은 아닐 수 있음을 밝혀둔다.
다시 도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부(100)는 관부(200)에 대하여 기 설정된 각도(A)로 틸팅되어 형성될 수 있다.
이에 따라, 제1 유동(F3)과 제2 유동(F4)의 방향이 서로 수직인 경우에 발생하는 유체의 압력 강하, 및 유체의 속도 분포의 표준편차를 저감시킬 수 있다.
유입부는 관부에 대하여, 유입부의 표면이 제1 유동(F3)을 바라보는 방향으로 틸팅되며, 틸팅되는 각도(A)는 6도 내지 8도, 보다 바람직하게는 7.5도 일 수 있다. 상기 각도(A)에 관하여는 후술할 도5및 도6에서 상세히 설명한다.
도3을 참조하면, 감쇠영역(110)은 유입부(100) 표면 중 상기 후류부에 형성된 적어도 복수 개의 홀(111)을 포함할 수 있다.
상기 홀(111)들은, 후류부의 표면 상에 서로 기 설정된 간격으로 이격되어 형성될 수 있으며, 전술한 바와 같이 유입부를 향하여 진행되는 제1 유동(F3)중 일부 유동을 투과시킴으로써, 일 실시예에 따른 벨마우스의 주변에 발생되는 와류의 세기를 저감시킬 수 있다.
통상적인 원형 벨마우스의 경우, 전술한 바와 같이 상기 후류부는 나팔 모양으로 형성된 유입부(100) 표면 중 절반일 수 있다. 다시 말해, 이 경우 감쇠영역(110)의 면적이 유입부(100)의 전체 면적의 50%를 차지하게 된다.
여기서, 상기 복수 개의 홀들이 차지하는 면적의 합은 상기 감쇠영역의 면적의 5% 내지 10%를 차지할 수 있으며, 바람직하게는 5%를 차지할 수 있다. 이는 후술할 도7 및 도8에서 상세히 설명한다.
다만 감쇠영역(110)은, 반드시 유입부의 일부 표면에 형성된 복수 개의 홀(111)을 포함하는 구조로 형성되는 것은 아니다. 감쇠영역(110)은, 이와 달리 유체가 관통될 수 있는 투과성 물질(예를 들어, 메탈 폼)로 형성될 수 있으며, 상기 투과성 물질은, 전술한 복수 개의 홀과 같이, 제1 유동(F3)의 일부를 투과시키며 동일한 효과를 얻어낼 수 있다.
도4는 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부의 형태를 나타낸다.
도4를 참조하면, 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부 및 관부의 단면의 형상은 원형, 사각형 또는 다각형으로 형성될 수 있다.
도4가 도시하는 유입부의 형태는 일 실시예에 따른 일 형태에 불과하며, 일 실시예에 따른 벨마우스의 단면의 형상은, 벨마우스가 설치되는 유로의 설치조건에 따라 가장 알맞은 형태로 형성될 수 있다.
이 때, 전술한 바와 같이 감쇠영역(110)은 유입부(100)의 표면 중 후류부, 즉 제1 유동(F3)의 방향과 마주보는 방향의 유입부 표면에 형성된다. 다만 후류부는, 유입부 및 관부의 단면의 형상에 따라 상이하게 형성될 수 있다. 따라서 일 실시예에 따른 벨마우스의 다종다양한 단면의 형상에 따라, 전체 유입부(100) 표면에서 감쇠영역(110)이 차지하는 표면의 비율이 상이해질 수 있다.
도5는 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부의 틸팅 각도에 따라 변화되는 유체의 유동을 나타낸다.
도6은 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부의 틸팅 각도에 따라 변화되는 유체의 압력 강하 및 속도 표준 편차를 나타낸다.
도5를 참조하면, 제1 유동 및 제2 유동의 방향이 수직인 경우, 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부 근위에서 와류가 발생된다. 구체적으로는, 특히 제1 유동의 반대방향에 해당하는 유입부의 뒤 공간에서 와류가 발생한다.
여기서, 도5의 a는 유입부가 관부에 대하여 2.5도의 각도로 틸팅된 경우의 유동 해석을 나타내며, 도5의 b는 유입부가 관부에 대하여 7.5도의 각도로 틸팅된 경우의 유동 해석을 나타내고, 도5의 c는 유입부가 관부에 대하여 12.5도의 각도로 틸팅된 경우의 유동 해석을 나타낸다.
이때, 유입부가 관부에 대하여 틸팅된 각도가 7.5도인 경우(b)에, 유입부의 뒤 공간에서 발생하는 와류의 세기가 저감되는 정도가 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
도6을 참조하면, 일 실시예에 따른 벨마우스의 유입부가 관부에 대하여 틸팅되는 경우, 유동되는 유체의 압력 강하 및 유체의 속도 표준 편차가 변동될 수 있음을 확인할 수 있다.
유입부가 관부에 대하여 틸팅된 각도가 2.5도인 경우, 유체의 속도 표준 편차는 종래의 벨마우스 대비 감소하였지만, 압력 강하 수치는 종래의 벨마우스와 대비하였을 때 오히려 증가한다.
유입부가 관부에 대하여 틸팅된 각도가12.5도인 경우에는, 압력 강하 및 유체의 속도 표준편차를 나타내는 수치 모두가 오히려 종래의 벨마우스 대비 증가한다.
반면, 유입부가 관부에 대하여 틸팅된 각도가 7.5도인 경우, 유체의 압력 강하 및 속도의 표준편차를 가장 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 벨마우스는 유입부가 관부에 대하여 7.5도의 각도로 틸팅되도록 설정될 수 있다.
도7은 일 실시예에 따른 벨마우스의 감쇠영역의 다공성 수치에 따라 변화되는 유체의 유동을 나타낸다.
도8은 일 실시예에 따른 벨마우스의 감쇠영역의 다공성 수치에 따라 변화되는 유체의 압력 강하 및 속도 표준 편차를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 감쇠영역은 유입부 표면의 일부에 형성된 복수 개의 홀을 포함할 수 있으며, 상기 홀들은, 유입부를 향하여 진행되는 제1 유동(F3)중 일부 유동을 투과시킴으로써, 일 실시예에 따른 벨마우스의 주변에 발생되는 와류의 세기를 저감시킬 수 있다.
이때, 형성된 복수 개의 홀들이 상기 감쇠영역에 대하여 차지하는 면적의 비율을 이하 Rp 로 정의한다.
도7의 d는 Rp = 50%인 경우의 유동해석을 나타내며, 도7의 e는 Rp = 75% 인 경우, 도7의 f는 Rp = 5% 인 경우의 유동해석을 각각 나타낸다.
도7을 참조하면, Rp = 5% 인 경우(f)에서 벨마우스의 유입부 근위의 와류가 가장 저감되는 것을 확인할 수 있다.
또한 도8을 참조하면, Rp값이 변동됨에 따라 유동되는 유체의 압력 강하 및 유체의 속도 표준 편차가 변동될 수 있음을 확인할 수 있다.
Rp = 50% 인 경우 및 Rp = 75%인 경우에서는 유체의 압력 강하 및 속도 표준편차 수치가 종래의 벨마우스와 동일한 수준이거나, 오히려 증가한다.
반면, Rp = 5% 인 경우에서는 유동되는 유체의 압력 강하, 및 유체의 속도 표준 편차가 저감됨을 확인할 수 있다
따라서, 복수 개의 홀의 면적의 합은 상기 감쇠영역의 면적의 5%를 차지하도록 형성될 수 있다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 유입부
110: 감쇠영역
111: 홀
200: 관부
A: 각도
F1: 제1 유동
F2: 제2 유동
F3: 제1 유동
F4: 제2 유동
S: 유로

Claims (11)

  1. 상단부로부터 하단부를 향하는 방향으로 직경이 감소하는 형태로 형성되어, 유체가 유입될 수 있는 유입부; 및
    상기 유입부의 하단부에 배치되고, 유입된 상기 유체가 유동되는 관부;
    를 포함하고,
    상기 유입부는,
    상기 유입부 상에 형성되어 상기 유체의 유동의 일부가 투과되도록 하고, 상기 유체가 유입되는 경우에 발생하는 와류, 및 와류로 인하여 발생하는 상기 유체의 재순환 현상을 저감시키는 감쇠영역;
    을 포함하고,
    상기 감쇠영역은,
    상기 유입부의 일 부분의 표면에 형성된 복수 개의 홀;
    을 포함하고,
    상기 유입부를 향해 진행되는 제1 유동의 방향과 상기 유입부 및 상기 관부 내에서 진행되는 제2 유동의 방향은 서로 상이하고,
    상기 제1 유동의 방향과 상기 제2 유동의 방향은 수직이고,
    상기 유입부는 상기 관부에 대하여 기 설정된 각도로 틸팅되고,
    상기 설정된 각도는 6도 내지 8도이고,
    상기 감쇠영역은,
    상기 유입부의 내측면의 일 부분에 형성되고,
    상기 유체의 상기 제1 유동의 방향에 대하여 마주보는 방향으로 형성되어 상기 제1 유동을 갖는 상기 유체의 일부는 상기 복수 개의 홀을 통해 상기 감쇠영역을 투과하도록 하는 것을 특징으로 하는,
    벨마우스.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 감쇠영역의 면적은 상기 유입부의 전체 면적의 50%를 차지하는,
    벨마우스.
  9. 제8항에 있어서,
    각각의 상기 홀의 면적의 합은 상기 감쇠영역의 면적의 5% 내지 10%를 차지하는,
    벨마우스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 감쇠영역은 투과성 물질로 형성된,
    벨마우스.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서,
    상기 유입부 및 상기 관부의 단면의 형상은 원형, 사각형 또는 다각형으로 형성될 수 있는,
    벨마우스.

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Citations (1)

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