流体力学流体机械习题

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流体流动 一、填空题:

1.牛顿粘性定律用内摩擦力的表达式为_____________. 用剪应力的表达式为____________. 答案:F=μAdu/dy; τ=μdu/dy

2.当地大气压为750mmHg时,测得某体系的表压为50mmHg,则该体系的绝对压强为_________mmHg, 真空度为_______mmHg. 答案: 800; -50

3.计算流体局部阻力损失的方法有:_______________,_________________,其相应的阻力损失计算公式为_______________,____________________。 答案:当量长度法; 阻力系数法; hf =λ(le/d)(u2/2g); hf =ζ(u2/2g) ;

4.理想流体是指________________________________;而实际流体是指___________________________。 答案:没有粘性、没有摩擦阻力、液体不可压缩;具有粘性、有摩擦力、液体可压缩、受热膨胀、消耗

能量。

5.牛顿粘性定律表达式为______________,其比例系数 (粘度) 的物理意义是_____________________。 答案:τ=F/A=μdu/dy;在单位接触面积上,速度梯度为1时,流体层间的内摩擦力。 6. 流体流动的型态用_____来判断,当________时为湍流,当________时为滞流,当______时为过渡流。 答案:雷诺准数,Re≥4000,Re≤2000,Re在2000-4000之间。

7.化工生产中,物料衡算的理论依据是_________________,热量衡算的理论基础是________________。 答案:质量守恒定律, 能量守恒定律。

8.当流体的体积流量一定时,流动截面扩大,则流速__________,动压头___________,静压头___________。 答案:减少, 减少, 增加。

9.流体的粘度指______________________________________。粘度随温度变化而变化,液体的粘度随温度升高而________;气体的粘度则随温度升高而________。

答案:流体流动时,相邻流体层间,在单位接触面上,速度梯度为1时,所产生的内摩擦力 减少 增大

10.液柱压力计量是基于______________原理的测压装置,用U形管压强计测压时,当压强计一端与大气相通时,读数R表示的是_________或___________。 答案:流体静力学; 表压; 真空度

11.应用柏努利方程所选取的截面所必须具备的条件是______________,______________,____________,__________________。

答案:处于稳定段, 连续, 垂直于流体流动方向, 流体平行流动

12.若Re值已知时,则流体在圆形管内呈层流时的摩擦系数λ=________,在管内呈湍流时,摩擦系数λ与_______、_______有关。 答案: 64/Re; Re; ε/d

13.孔板流量计和转子流量计的最主要区别在于:前者是恒______,变_____;后者是恒_________,变_________。

答案:截面;压差;压差;截面

14.液体的粘度随温度升高而________,气体的粘度随温度的升高而_______。 答案:减小; 增大

15.若流体在圆形直管中作滞流流动,其速度分布呈_______型曲线,其管中心最大流速是平均流速的____倍,摩擦系数λ与Re的关系为_________。 答案:抛物线; 2倍; λ=64/Re

16.牛顿粘性定律的数学表达式为_________________,牛顿粘性定律适用于________型流体。 答案:τ=μdu/dy ; 牛顿

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17.流体做层流流动时,管内平均流速是最大流速的____倍,湍流时,管内平均流速是最大流速的______倍。 答案: 0.5; 约0.8

18.流体在管路中作连续稳态流动时,任意两截面流速与管径的关系为______________,所以,流速随着管径的减小而________。 答案:u1/u2=d22 /d12 增大

19.流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是__________________. 答案:.流体具有粘性

20.按照化工单元操作所遵循的基本规律的不同,可将单元操作分为_________、 __________、________。 答案.动量传递、热量传递、质量传递

21.流体沿壁面流动时,有显著速度梯度的区域称为_____________。 答案:.流动边界层

22.液体在等直径的管中作稳态流动,其流速沿管长______,由于有摩擦阻力损失,静压强沿管长_______。 答案:不变; 降低

23.稳态流动是指流动系统中,任一截面上流体的流速、压强、密度等物理量仅随_____________________。 答案:.位置而变,而均不随时间变。

24.离心泵的主要构件有以下三部分:______,_____,_______. 答案:泵壳; 叶轮; 泵轴

25.离心泵的主要参数有: __________,____________,____________,____________. 答案:流量; 扬程; 功率; 效率

26.离心泵的特性曲线有:_____________________,_________________,__________________. 答案:扬程~流量曲线; 功率~流量曲线; 效率~流量曲线 27.离心泵的最大安装高度不会大于_______________. 答案:10m

28.离心泵的工作点是________________________和______________________________两条曲线的交点. 答案:泵特性曲线H--Q; 管路特性曲线H--Q

29.泵起动时应先关闭出口开关,原因是______________________________________________________。 答案:.降低起动功率,保护电机,防止超负荷而受到损伤;同时也避免出口管线水力冲击。

30.流体输送设备按工作原理可分为四类:____________,______________,__________,__________。 答案:离心式 , 往复式 , 旋转式 , 流体作用式

31.当离心泵的安装高度超过允许安装高度时,离心泵会发生____________现象。 答案:气蚀

32.离心泵的扬程含义是___________________________________________________________________。 答案:.离心泵给单位重量的液体所提供的能量

33.离心泵起动时,若泵内没有完全充满液体,离心泵就不能输送液体,这种现象称为__________。 答案:气缚

34.离心泵输送的液体粘度越大,其扬程__________,流量_________,轴功率__________,效率_________。 答案:.越小; 越小; 越大; 越小

35.往复压缩机的实际工作循环,是由__________、__________、________、________四个阶级组成。 答案:吸气、 压缩、 排气、 膨胀

36.采用多级压缩的优点是:_______________________________________________________________。 答案:降低排气温度;减少功耗;提高气缸容积利用率;使压缩机的结构更为合理。

37.离心泵叶轮的作用是__________________________________,使液体的______________均得到提高。 答案:将原动机的机械能传给液体, 静压能和动能。

38.往复式压缩机的工作原理和__________泵相似,是靠往复运动的活塞使气缸的工作容积__________,从而进行_____________。

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答案:往复; 增大或减少; 吸气和排气,

二、选择题:

1.流体在圆管内流动时,若为湍流时,平均流速与管中心的最大流速的关系为( ) A. Um=1/2Umax B. Um=0.8Umax C. Um=3/2Umax 答案:B

2.从流体静力学基本方程可得知,U型管压力计测量的压强差( ) A. 与指示液密度、液面高度有关,与U形管粗细无关 B. 与指示液密度、液面高度无关,与U形管粗细有关

C. 与指示液密度、液面高度无关,与U形管粗细无关 答案:A

3.流体的层流底层越薄,则( )。

A. 近壁面速度梯度越小 B. 流动阻力越小

C. 流动阻力越大 D. 流体湍动程度越小 答案:C

4.为提高微差压强计的测量精度,要求指示液的密度差( )。 A. 大 B. 中等 C. 越小越好 D. 越大越好 答案:C

5. 一个工程大气压等于( )Pa; ( )Kgf.cm-2。

A. 1.013×105 B. 9.8×104 C. 1 D. 1.5 答案:B C

6. 转子流量计的主要特点是( )。

A. 恒截面、恒压差; B. 变截面、变压差;

C. 恒流速、恒压差; D. 变流速、恒压差。 答案:C

7.层流与湍流的本质区别是:( )。

A. 湍流流速>层流流速; B. 流道截面大的为湍流,截面小的为层流; C. 层流的雷诺数<湍流的雷诺数;D. 层流无径向脉动,而湍流有径向脉动 答案:D

8.圆管内流动流体湍流时的雷诺准数值应为( )

A. Re<2000 B. Re>4000 C. Re=2000~4000 答案:B

9.流体在管路中作稳态流动时,具有( )的特点。 A. 呈平缓的滞流 B. 呈匀速运动

C. 在任何截面处流速、流量、压强等物理参数都相等;

D. 任一截面处的流速、流量、压强等物理参数不随时间而变化 答案:D

10.表压与大气压、绝对压间的关系是( )。

A. 表压=绝对压-大气压 B. 表压=大气压-绝对压

C. 表压=绝对压+真空度 答案:A

11.流体流动时产生摩擦阻力的根本原因是( )。

A. 流动速度大于零 B. 管边不够光滑 C. 流体具有粘性 答案:C

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12.流体在管内流动时,滞流内层的厚度随流速的增加而( )。

A. 变小 B. 变大 C. 不变 答案:A

13.圆管的摩擦系数λ=64/Re的适用流型是( )。

A. 滞流 B. 过渡流 C. 湍流 答案:A

14.为使U形压差计的灵敏度较高,应使指示液和被测流体的密度差( )。

A. 偏大 B. 偏小 C. 越大越好 答案:B

15.设备内的真空度愈高,即说明设备内的绝对压强( )。

A. 愈大 B. 愈小 C. 愈接近大气压、 答案:B

16.在静止的、连续的、同一液体中,处于同一水平面上各点的压强 ( ) A. 均相等 B. 不相等 C. 不一定相等 答案:A

17.流体在圆管内作滞流流动时,阻力与流速的( )成比例,作完全湍流时,则阻力与流速的( )成比例。

A. 平方 B. 五次方 C. 一次方 答案:C A

18.流体在管内作湍流流动时,滞流内层的厚度随雷诺数Re的增大而( )。 A. 增厚 B. 减薄 C. 不变 答案:B

19.将管路上的阀门关小时,其阻力系数( )。

A. 变小 B. 变大 C. 不变 答案:B

20. u/2的物理意义是表示流动系统某截面处( )流体具有的动能。 A. 1kg B. 1N C. 1m 答案:A

21.流体流动时产生阻力的根本原因是流体流动( )。 A. 遇到了障碍物; B. 与管壁产生摩擦

C. 产生了内摩擦切向力 答案:C

22.转子流量计的设计原理是依据( )。

A. 流动的速度 B. 液体对转子的浮力

C. 流动时在转子的上、下端产生了压强差。 答案:C

23.公式λ=64/Re仅适用于流体在( )管内作( )时应用。 A. 湍流 B. 滞流 C. 各种流动型态

D. 圆形 E. 非圆形 答案:D B

24.转子流量计的主要特点是( )

A. 恒截面、恒压差 B. 变截面、变压差 C.变截面、恒压差 答案:C

25.离心泵的性能曲线中的H-Q线是在( )情况下测定的。 A. 效率一定; B. 功率一定;

C. 转速一定; D. 管路(l+∑le)一定。

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答案:C

26.离心泵最常用的调节方法是 ( )

A. 改变吸入管路中阀门开度 B. 改变压出管路中阀门的开度

C. 安置回流支路,改变循环量的大小 D. 车削离心泵的叶轮 答案:B

27.离心泵的扬程是 ( )

A. 实际的升扬高度 B. 泵的吸液高度 C. 液体出泵和进泵的压差换算成液柱高度

D. 单位重量液体出泵和进泵的机械能差值 答案:D

28.用离心泵将液体由低处送到高处的垂直距离,称为( )

A. 扬程 B. 升扬高度 C. 吸液高度 答案:B

29.往复压缩机每一工作循环所耗的功以( )压缩为最小

A. 等温 B. 绝热 C. 多变 答案:A

30.往复泵在启动前( )液体。

A. 一定要充满 B. 无须充满 C. 充以适量的 答案:B

31.离心泵并联操作的目的是( ).

A. 增大位能 B. 增大扬程 C. 增大流量 答案:C

三、判断题:

1.流体在园管内作稳定流动时,其流速与管径的一次方成反比。( )× 2.流体在园管内的流动阻力主要有沿程阻力和局部阻力。( )√

3.化工单元操作是一种物理操作,只改变物质的物理性质而不改变其化学性质。( )√ 4.在稳态流动过程中,流体流经各截面处的体积流量相等。 ( )× 5.当输送流体的管子的管径一定时,增大流体的流量,则雷诺准数减少。( )×

6.流体在等径的管中作稳态流动时,由于有摩擦阻力损失,因此流体的流速沿管长而逐渐变小。( )× 7.当流体充满圆管作稳态流动时,单位时间通过任一截面的体积流量相等。( )× 8.流体作层流流动时,摩擦系数λ只是Re的函数,而与管壁的粗糙度无关。( ) 9.在相同的设备条件下,密度越大,粘度越小的流体越易形成湍流状态。( )√ 10.牛顿粘性定律是:流体的粘度越大,其流动性就越差。( ) ×

11.孔板流量计是文丘里流量计的改进,其压头损失比文氏流量计小得多。( )×

12.实际流体在导管内作稳态流动时,各种形式的压头可以互相转,但导管任一截面上的位压头、动压头与静压头之和为一常数。( )×

13.为了提高压强计的灵敏度以测量微小的压强差,可采用微差压强计。当其中的两指示液密度相差越大时,其灵敏度就越高。 ( )×

14.经过大量实验得出,雷诺Re<2000时,流型呈层流,这是采用国际单位制得出的值,采用其他单位制应有另外数值。( ) ×

15.流体在管内以湍流流动时,在近管壁处存在层流内层,其厚度随Re的增大而变薄。 ( )√ 16.表压强就是流体的真实压强。( )× 17.设备内的真空度愈高表明绝对压强愈大。( )×

18.一般情况下气体的粘度随温度的升高而增大;液体的粘度随温度的升高而减小。( )√

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Σhf1-2 =0.0377×(25/0.05)×(0.84882/2)=6.7904J/kg 故W=16×9.81+4×98100/800+6.79=654J/kg

9.图示为水泵进水管的装置。管子尺寸为φ57×3.5mm;管的下端位于储水池水面下2m,并装有底阀及滤网,该处之局部阻力压头损失为12u2/(2g);截面2-2处的真空度为4m水柱;由1-1至2-2截面的沿程压头损失为9u2/(2g)。试求:(1)进水管的流量为多少m3/h;(2)进水口1-1处的表压为若干N/m2?

【解】列水面与2-2截面列柏努利方程:

(1)Z1+u12/2g+P1/ρg=Z2+u22/2g+P2/ρg+∑Hf Z1=0,u1=0,P1=0,Z2=3m,P2/ρg=-4mH2O ∑Hf=12u2/2g+9u2/2g=21u2/2g=21u22/2g 21u22/2g+u22/2g=22u22/2g=4-3=1m ∴u2=(2×9.81/22)0.5=0.94m/s

∴V=3600×0.785(0.05)2×0.94=6.64m3/h (2)进水口1-1处的表压P

3—3截面为大槽距水面2m深处的大槽截面,3-3及1-1截面间的柏努利方程式 Z3=Z1=0 p3/ρg=2 p1/ρg

U3≈0 u1=0.94m/s Hf=12u2/2g 2=p1/1000g+0.942/2g+12×0.942/2g

p1=13.88×103 Pa=13.88KPa=1.415m

10. 15℃水在内径为10mm的钢管内流动,流速为0.15 m/s,试问:(1)该流动类型是层流还是湍流?(2)如上游压强为7kgf/cm2,流经多长管子,流体的压强降至3 kgf/cm2?(15℃水的密度为999.1kg/m3,粘度为1.14cp.) 【解】(1)Re=duρ/μ

=0.010×0.15×999.1/(1.14×10-3)

=1314<2000 该流体作层流流动 (2)根据泊谡叶方程式 ΔP=32μlu/d2 ∴l=ΔPd2/(32μu)

=(7-3)×9.81×104×0.012/(32×1.14×10-3×0.15) =7171m

11.水从蓄水箱,经过一水管流出,如附图所示。假如,Z1=12m,Z2=Z3=6.5m,d2=20 mm,d3=10mm,

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水流经d2管段的阻力损失为2m H2O,流经d管段的阻力损失为1mH2O,求:(1)管嘴出口处的流速u3;(2)接近管口2-2截面处的流速u2及压强P2;

【解】(1)列1-1与3-3截面柏努利方程式

Z1+P1/ρg+u12/2g

=Z3+P3/ρg+u32/2g+hf1-3 u1=0,P1=P3=0(表压) ∴12-6.5=u32/2g+(2+1)

解得 u3=√(2.5×2×9.81)=7 m/s (2)u2=u3(d3/d2)2=7×(10/20)2 =1.75m/s

由1-1与2-2截面列柏努利方程式可得 P2/ρg=(Z1-Z2)-u22/2g-hf1-2

=(12-6.5)-1.752/(2×9.81)-2 =3.344 m水柱(表压) ∴ P2=3.344×1000×9.81=32804Pa

12.喷水泉的喷嘴为一截头圆锥体,其长度l=0.5m,其两端的直径d1=40mm,d2=20mm,竖直装置。若把表压为9.807kN/m2的水引入喷嘴,而喷嘴的阻力损失为1.5mH2O,如不计空气阻力,试求喷出的流量和射流的上升高度。

【解】列1-1、2-2截面,以1-1面为基准的柏氏方程 Z1+P1/ρg+u12/2g=Z2+P2/ρg+u22/2g+hf Z1=0,P2=0 由连续性方程:

(π/4)d12u1=(π/4)d22u2

u1=(d2/d1)2u2=(20/40)2u2=u2/4 P1/ρg=10m, Z2=0.5

10+1/2g×(u2/4)2=0.5+u22/2g+1.5

8=u22/2g-1/16×u22/2g=(15/1 6)u22/2g

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∴ u2=(8×9.81×2×16/15)105=12.94 m/s

上升高度 H=u22/(2×9.81)=(12.94) 2/(2×9.81)=8.53 m

13.利用虹吸管将池A中的溶液引出。虹吸管出口B与A中液面垂直高度h=2m。操作条件下,溶液的饱和蒸汽压Ps=1.23×104N/m2。试计算虹吸管顶部C的最大允许高度H为若干m。计算时可忽略管路系统的流动阻力。溶液的密度ρ=1000kg/m3,当地大气压为760mmHg。

【解】该题的关键是C点的压强Pc必须等于或大于Ps, 以保证管内液体不会汽化而保持流动的连 续性。 现取极限值Pc=Ps。取A池液面为1-1面(并作为基准面),B处为2-2面。 在两截面 间列柏努利方程并简化得到: u2/2=2g=19.62 再在1-1面与C截面之间列柏方程:

P1 /ρ=Hg+(u2/2) +Ps/ρH=(P1 -Ps) /(ρg) -(u2/2g) =(101300-12300) /(1000×9.81)-19.62/9.81=7.07m 即C点的极限高度为7.07m。

14.如图所示,水以3.78升/秒的流量流经一扩大管段,已知d1=40mm,d2=80mm,倒U形压差计中水位差R=170mm,试求:水流经扩大管段的摩擦损失hf。

【解】(1)u1=3.78×10-3/(0.785×0.042) =3 m/s

u2=(1/4)u1=0.75 m/s 在1-1、2-2截面是列柏式:

gZ1+P1/ρ+u12/2=gZ2+P2/ρ+u22/2+hf Z1=Z2=0(以过管轴线的水平面为基准面) (P2-P1)/ρ=(u12-u22)/2-hf =(32-0.72)/2-hf=4.22-hf

由静力学方程:P1-Rρ气g=P2-Rρ水g (P2-P1)/ρ水=R.g=0.17×9.81=1.668 即 4.22-hf=1.668 hf=2.552J/kg

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15.用泵自贮油池向高位槽输送矿物油,流量为38.4T/h,高位槽中液面比油池中液面高30m,管路总长(包括阀门及管件的当量长度) 430m,进出口阻力不计。管径为φ108×4mm,若油在输送温度下的比重为0.96,粘度为3430cp,求泵所需的实际功率,设泵的效率η=50%。 【解】对贮油池液面至高位槽液面列柏努利方程: He=△Z+λ[(l+Σle )/d](u2/2g)

△Z=30m l+Σle =430m d=108-2×4=100mm=0.1m u=Vs/0.785d2

=38400/(3600×0.785×0.12×960) =1.415m/s

Re=duρ/μ=0.1×1.415×960/3430×10-3 =39.6<2000

λ=64/Re=64/39.6=1.616 He=30+1.616×(430/0.1)×(1.4152/2×9.81)=739.13m N=Q·He·ρg/η =38400×739.13×9.81/(3600×0.5×1000)=154.7kw

16.用离心泵经φ57×3.5mm的钢管,将敞口贮槽内的有机溶剂(密度为800kg/m3,粘度为20cp)输送到反应器中。设贮槽内的液面离反应器内的液面高度Z保持20m,见附图。已知钢管总长度(包括局部阻力当量长度) 为25m,反应器内的压力恒定为4kgf/cm2(表压) ,有机溶液输送量为6m3/h,泵的效率为60%,试确定泵提供的轴功率。

【解】取敞口贮槽液面为1-1截面,反应器内液面为2-2截面,在1-1与2-2截面间列柏努利方程,并以1-1截面为基准面:

gZ1+(u12/2)+(p1/ρ)+W=gZ2+(u22/2)(p2/ρ)+Σhf1-2 W=(Z2-Z1)g+[(u22-u12)/2]+[(p2-p1)/ρ]+Σhf1-2 Σhf1-2 =λ[(l+le )/d](u2/2)

u=(6/3600)/[(π/4)×0.052]=0.8488m/s u1≈u2≈0 Z1=0

Re=duρ/μ=0.05×0.8488×800/(20×10-3) =1697.6<2000

则λ=64/Re=64/1697.6=0.0377

Σhf1-2 =0.0377×(25/0.05)×(0.84882/2)=6.7904/.kg 故W=(20-0)×9.807+4×9.807×104/800+6.7904 =693.5J/kg

N=QρW/η=1.541kw

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17.下图所示的CO2水洗塔供水系统,水洗塔顶部绝对压强为2250 kPa,贮槽水面绝对压强为300 kPa 。塔内水管与喷头连接处,高于水面20m,输水管规格为φ57×3.5 mm 钢管,送水量为 15m3/h,设管路摩擦能量损失为49J/kg,试求水泵的有效功率。

【解】Z1g+P1/ρ+u22/2+ ∑Wf u2=15/[3600(π/4)0.05]=2.12 m/s

We=20× 9.81 +((2250-300)×103)/103+(2.12)2/2+49=2197 J/kg ∴ Ne=ρV.We=9154 w

18.由山上的湖泊中引水至某贮水池,湖面地面高出45m,管道总长4000m (包括直管长度和局部阻力当量长度),要求流量达到85 L/s。若使用新铸铁管,其摩擦阻力系数λ=0.02,则铸铁内径需多大?经长期使用,铸铁管内壁腐蚀,其摩擦阻力系数增大至λ=0.03,问此时水流量减至若干? .【解】Z0+P0/ρg+u02/2g=Z1+P1/ρg+u12/2g+λ(l/d)(u2/2g) 45=0.02×(4000/d)(u2/2g)----(1) 因为 V=(π/4)d2 u=0.085 m3/s u=0.085/(0.785d2) 代入式(1)得:d=0.254

当λ=0.03时,代入式(1)得 u′=1.367 m/s V=69.4 L/s

19. 20℃的水以2.5m/s的流速流经Φ38×2.5mm的水平钢管,此管以锥形管与另一Φ53×3mm的水平钢管相连,如图所示。在锥形管两侧A.B处各插入一垂直玻璃管,以观察两截面的压强。若水流经A.B两截面间的能量损失为1.5J/kg,求两玻璃管的水面差。

+u12/2+We=Z2g+P2/ρ

2

【解】按连续性方程:uB=uN(dA/dB)2=2.5(0.033/0.047) 2=1.23m.s-1 由柏式知:R=(PA-PB)/(ρg)=uB2/2-uA2/2+hfA-B =1.232/2-2.52/2+1.5

= -0.087m=-87mm 负号 PB>PA

15

2u2?u12 H?h0?H2?H1?

2g由题意:h0?0.4m H2?3.8kg/cm2?3.8?10?38m H1??200mmH?g?0.2?13.6??2.72m

u1?

V?4?3600?1213d2?4?0.92m/s

?0.0682?2.53m/su2?3600?将上述数据代入

?4?0.04122.532?0.922H?0.4?3.8?(?2.72)??41.4m2?9.81QH? ?N?

102?QH?12?41.4?1000?????58.82N3600?102?2.3

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