IJRM
旋转机械的国际期刊
1542 - 3034
1023 - 621 x
Hindawi
10.1155 / 2018/7572631
7572631
研究文章
评估的稳定和不稳定完整环模拟Predictivity Load-Controlled风车的低速轴流式风扇
http://orcid.org/0000 - 0001 - 7443 - 5435
食米鸟
Aurelie
1
2
Courty-Audren
Suk-Kee
2
http://orcid.org/0000 - 0002 - 2312 - 4394
粘结剂
尼古拉。
2
http://orcid.org/0000 - 0002 - 8739 - 8810
Carbonneau
泽维尔
2
http://orcid.org/0000 - 0001 - 8773 - 6851
Bousquet
亚尼克
2
challa
弗洛伦特·
1
李
Jingyin
1
赛Technofan
Blagnac
法国
safran-ventilation-systems.com
2
图卢兹大学德
ISAE-SUPAERO
图卢兹
法国
univ-toulouse.fr
2018年
17
5
2018年
2018年
24
11
2017年
01
03
2018年
17
5
2018年
2018年
版权©2018 Aurelie食米鸟等。
这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。
稳定混合平面的方法是与方程的时均解不稳定完整环计算传统风扇操作load-controlled风车。目标是评估一个完整的非定常计算的增加值与更传统的方法相比,尤其是关于空间和时间的影响周期性释放在风车等一个不寻常的操作。与全球稳定的实验测量和转子径向特征。数值分析表明,风车旋转全球表演获得方程的时均解不稳定模拟不远的稳定情况下,尤其是在转子。一些差异出现在定子,尤其是对于速度场。时间周期性释放显然在这一行有一个显著的影响在流不稳定的反应。详细分析了通用模式风车旋转流动的记录在一个稳定的方法也报道了不稳定的情况。
1。介绍
在不久的将来,需要机载电能将成为飞机制造商的极大兴趣的主题。从这个角度看,有几项研究正在进行调查现有机载设备中任何潜在的能源。这是本研究的背景下,重点是分析低速低维的球迷。
这风扇旨在冷却热交换器,当飞机在地面上。它位于下游的进气口。在飞行中,冲压空气的质量流量通过确保这个函数;风扇是无用的自由和风车。在这种背景下,风车旋转操作不再是仅视为边际运作模式发生在意外情况下(发动机熄火),但被认为是一个潜在的能量回收方案。风车旋转配置研究被称为“load-controlled风车”,坐落在随心所欲的状态,记录在文献中,锁定转子配置。
在文献中,一些研究涡扇发动机证明风车旋转操作的特点是高度负面事件对转子和定子行导致大规模分离(
1 - - - - - -
4 ]。这种现象在freewindmill load-controlled风车比更重要。为了更好的理解,说明传统的风扇速度图得到的压缩模式,在freewindmill load-controlled风车,在图
1 。
图1
从压缩机速度图load-controlled风车。
风车旋转流动复杂拓扑有关数值收敛性和predictivity是有问题的。不同的方法和湍流模型进行了测试在未发表的作品评估风车旋转性能或更好地理解在这个政权流的不稳定。
关于predictivity freewindmill涡扇发动机上,它通常是报道,数值径向分布在转子出口与实验数据吻合较好,这并非如此在定子出口(稳定混合平面模拟[
5 在1/12和1/10)和非定常模拟部门完整的环(
6 ,
7 ])。这是因为损失机制不捕获。因此,总体性能不能很好地预测。在加载风车小轴流式风机,数值径向分布在转子出口不再是按照实验的恶化有关全球性能的差异(稳定混合平面模拟(
8 ])。这来自于这一事实,在加载情况下,转子上的流在freewindmill分离比。在这篇文章中,一个稳定的混合平面计算比较满上环计算load-controlled风车,利用实验数据作为参考。对表演的影响混合平面方法以及周期性释放研究。重要的是要指出,风车旋转操作点选择本研究的一个许多收敛困难出现在稳态混合平面模拟。这是典型的操作范围位于freewindmill和高负荷的风车。在这些情况下,困难的收敛是疑似来自内在的气动不稳定。检查这一假设,本文提供的计算不稳定。
关于风车旋转流动的不稳定,一个2 d NLH方法(
9 从杜福尔et al。
5 ,
10 1/12)和一个非定常计算领域的完整的环Goto et al。
6 )强调的存在涡旋脱落现象发生在定子。杜福尔表示,周期性影响定子叶片的转子尾流负责连续修改定子攻角或多或少导致强烈的分离。Goto et al。
6 ]试图分析这种涡旋脱落的3 d的观点,而是因为模式的复杂性还需要进行更多的调查研究。本文的一个目标是分析3 d的演化定子分离,特别是通过考虑其径向不稳定的行为。因此不稳定计算提出了用于分析流的不稳定为了提高风车旋转流拓扑和画一般的理解模式。最后一个目的也是检查的趋势有关转子拓扑强调稳定计算提出了前一个纸上的作者(
11 ),通过使用一个非定常模拟。
因此,本文的范围是将传统风扇的气动性能在不同寻常的情况下操作,也就是说,风车旋转的条件。讨论下列主题:
(我)
全球和本地的predictivity稳定飞机模拟和混合时均完整环计算与实验数据相比
(2)
比较完整的环之间的二次流拓扑计算和稳定的混合平面的方法
(3)
风车旋转的三维结构分析分离区在转子和定子环计算
2。机和方法论
机器学习是一个传统的轴流式通风机的类型。几何的风扇是保密的,只有一些基本属性展示在表
1 。
表1
传统的压缩机的基本属性。
直径(毫米)
≈
200年
转子叶片数量
17
定子叶片数量
23
设计转速(rpm)
≈
12000年
设计了流量系数
ϕ
^
∗
=
0.66
设计荷载系数
ψ
^
=
0.43
根据直径入口雷诺数
≈
150000年
本文中使用特定的表示占全球传统压缩机的性能:
ψ
^
,
ϕ
^
形式主义。这些参数,适合偏离设计的配置根据粘结剂等。
12 和特纳和火花
13 ),定义意味着二次半径:
(1)
ψ
^
=
Δ
h
我
23
U
^
2
ϕ
^
=
V
x
2
U
^
r
^
=
r
年代
h
r
o
u
d
2
+
r
h
u
b
2
2
U
^
=
ω
r
^
。
3所示。实验装置
在空气动力学、能量和推进ISAE-SUPAERO(敌磷),测试设备,柳树呼吁风车低雷诺数,一直在分析流动行为实现的低维球迷在风车旋转条件下(≤200毫米直径)(
14 ]。试验装置由一个空气真空系统和异步电动引擎,使我们能够达到每一个可能的组合操作从压气机喘振点锁定转子配置。这一功能允许我们独立控制流的一代通过吸入和轴加载。转速和转矩由差动变压器测量和控制扭矩计(Magtrol TM 306)加上电引擎。图的测试设备是可见的
2 。可以看出,发动机被驱逐的测试区保护从电磁干扰测量。如果需要,插装的部分是可逆的反方向流动。风扇几何图形包括固定移动转子和绕组匝。
图2
插图的风车旋转测试设备(柳)和数字领域。
测量之间的进口(平面1)和出口(飞机5)全球性能进行了评估。它由3热电偶(K型、基本精度1°)和肯特6-hole室连接到一个差动传感器(罗斯蒙特,
0
/
One hundred.
mbars、基本准确
0.15
%
全面(FS))。这使我们能够测量意味着总温度和平均静压。此外,出口(飞机5)配备一个固定的五孔探针用于获取总压强(凯勒,
- - - - - -
150年
/
+
One hundred.
mbars、基本准确
0.047
%
FS)。此外,三个墙局部静压端口固定方位位置转子进口,转子出口和定子出口。
局部径向分布记录分析转子流拓扑。两个方向五孔探针分别位于前缘上游约7毫米(平面2)和下游5毫米的后边缘(平面3)转子(凯勒,
- - - - - -
150年
/
+
One hundred.
mbars、基本准确
0.047
%
FS,罗斯蒙特
- - - - - -
50
/
50
mbars、基本准确
0.15
%
FS)。径向探测速度和压力场以及流角度进行从中心到裹尸布通过35左右的位置。第三个方向使用五孔探针下游约27.5毫米的后缘定子(飞机4)(凯勒,
- - - - - -
150年
/
+
One hundred.
mbars、基本准确
0.047
%
FS,罗斯蒙特
- - - - - -
50
/
50
mbars、基本准确
0.15
%
FS)。在这种情况下,方位和径向探讨都启用了45°pitch-wise方向离散化的1°。这导致在14测量分布在大约15不同半径的定子叶片通道。五孔探针的方位运动是由一个环形齿轮安装在机动,确保套管。新港高性能旋转阶段设备确保这个齿轮的旋转45°角部门,对应于大约3叶片通道,根据转子。引擎的角分辨率为0.0025°的机械间隙约0.01°。数据采集是通过复合国家仪器(NI) cdaq - 9172设备连接到倪三种模块用于电流(NI 9215),电压(NI 9203)和温度(NI 9211)录音。5000个样本的测量是获得20 kHz的采样频率。五孔探针旋转和翻译是由倪两轴运动设备(NI pci - 7344)。
评估的不确定性,基于全球和本地性能的传感器。此外,重复性研究是在压缩机、执行三个操作点freewindmill, load-controlled利用学生的风车
t
分布在一系列的几个测试申请95%置信区间。全球测量结果呈现在表
2 和当地的五孔探针测量转子出口在图
3 。总的来说,发现重复性误差大于不确定性。后者在本文的数据并不表示原因清晰。
表2
95%置信区间为全球测量在压缩模式下,免费的风车,load-controlled风车。
ϕ
^
∗
ψ
^
Π
η
0.656
±
0.005
0.367
±
0.008
1.016
±
0.003
0.80
±
0.01
1.001
±
0.005
- - - - - -
0.020
±
0.013
0.982
±
0.005
- - - - - -
2.000
±
0.006
- - - - - -
1.396
±
0.036
0.961
±
0.003
0.16
±
0.01
图3
95%置信区间为当地测量在压缩机转子出口模式,freewindmill, load-controlled风车。
本研究的范围内,一个特定的操作点load-controlled风车旋转操作了。它对应于一个情境,流不完全分离由转子和定子行。这一点的流量系数的特征
ϕ
^
=
1.66
,转速为1500 rpm,质量流量的0.455公斤·s−1 。结果提出纠正的大气温度和压力。
4所示。数值设置
EURANUS解算器的数值结果进行了细™/涡轮V9.0.2 NUMECA开发的。所有计算都是内部的超级计算机上执行,由24 16处理器和8节点的节点24处理器。数值稳定的混合平面域和完整的环模拟图中所示
2 。在这两种情况下,轴,喇叭口,后方没有数值代表的支持。
关于稳定混合平面方法,网格的总体规模3.3分被使用。流动路径的数量是109在转子包括29分的差距,89年的定子。细胞的数量在pitch-wise方向是51在转子和定子43。每个叶片表面与105年(吸力和压力)是离散网格点在定子转子和85。给出了网格质量参数表
3 。
表3
网格质量参数。
最小值
马克斯
马克斯
y
米
e
一个
n
+
倾斜。
asp。比
exp.比率
转子
32
430年
2.33
0.28
定子
36
216年
1.79
0.31
非定常计算的特点是60米的网分(定子,转子:32 M: 24米),对应于重复的稳定情况。根据上述内部的计算手段,这么大的筛孔尺寸数值的域必须减少(图
2 )。尽管这一措施,240000 CPU小时仍需要达到收敛。更精细的全网状因为同样的原因是不可能的。转子的一个革命1564年离散角位置对应于每每个定子转子和68年92时间步。融合了10旋转。
计算的数值参数设置如下。域的离散与多次拉丝结构化网格生成AutoGrid 5™。网格由O-grid阻塞坐落在叶片和H-grid通道(O4H网)。第一个单元格在墙上设置为5
μ 米的平均值
y
+
参数在墙壁约0.3 (
y
米
一个
x
+
≈
1.5
)。全球测试数据被用来设置总统一入口边界条件(压力、温度)和实施出口质量流量。two-equation SST模型用于湍流闭合。雷诺数的湍流强度计算是基于(大约3%)。伪时间的推进是确保由四级龙格-库塔稳定仿真方案。关于完整的环的情况下,时间离散化是詹姆逊提出的通过一个双重时间步进方法。内循环的迭代设置为10。空间的离散化是基于cell-centered有限体积方法。对流通量是由詹姆逊二阶中心方案添加了人工耗散。
5。比较分析
在本节中,稳定的predictivity混合平面和环不稳定运行模拟是在全球演出方面相比,径向分布,和当地流拓扑。全球表演提取实验和mass-averaged轴向飞机一样。所有径向数值资料提取试验轴向飞机和面积加权后得到方位的平均水平。它可以假设相对坐标系中的数值pitch-wise平均相当于实验时间平均在一个固定的方位位置由于转子的计算流量是稳定的(
5 ]。在定子,实验测量了几种pitch-wise方向的径向分布和平均叶片通道。非定常计算转子时均超过6期,
T
R
。最后一个参数是定义为一个函数的定子叶片的数量
N
年代
如下表示:
(2)
T
R
=
2
π
ω
N
年代
。
5.1。全球性能
全球流量系数
ϕ
^
是估计的数值方法如表所示
4 。这么好的协议来自这样一个事实:旋转速度和质量流量都是数值。相反,一个更糟糕的预测观察到在模拟加载系数(6%错误)。这可以通过实验空气动力学的评估考虑到机械损失和使用质量flow-weighted数值结果的平均水平。两个预测total-to-total等熵效率也类似于测量。计算之间唯一的区别是在定子静态压降。事实上,定子分离不稳定情况下的扩展和比混合平面模拟更强烈。有效流动面积是更重要的是,在定子出口轴向速度较小,静态压力大于一个记录在稳定的情况下。此外,模拟显示相同的差异方面的实验转子静态压降。
表4
合成实验和数值全球性能。
ϕ
^
ψ
^
P
我
1
/
P
我
9
η
Δ
P
23
年代
h
r
d
(
巴勒斯坦权力机构
)
Δ
P
34
年代
h
r
d
(
巴勒斯坦权力机构
)
经验值。
1.66
−1.34
1.012
0.16
−671
−938
Stdy
1.64
−1.42
1.011
0.17
−913
−1007
爹妈。
1.64
−1.43
1.011
0.17
−936
−459
5.2。径向分布
在图
4 ,减少轴向速度的演变是调查。在转子入口,两个模拟是等价的,正如所料,和匹配的测试数据中跨裹尸布。然而,一个重要的差异是记录在低一半。缺乏predictivity中心附近,可以解释为数值边界层的发展不足。在转子出口,混合平面之间没有差异报告方法和时均不稳定的情况。总体上,轴向速度沿跨度相当好预测。这意味着静脉阻塞(无效流动区域的几何区域(
15 ])估计的仿真。在定子出口,这两种方法之间的差异被记录。方程的时均解满环情况报告更好的协议与实验数据。这一结果并不奇怪,因为这种方法考虑了定子转子尾流影响拓扑,因此将更具代表性的实际流动现实这一行。
图4
实验和数值转子和定子轴向速度。
转子的径向分布载荷系数和压力比被认为是在图
5 。工作交换不进化单调从中心到裹尸布在load-controlled风车与古典风扇操作。一般的形状是被模拟,特别是斜率反演。然而,类似的高估记录从中心到30%的跨度从这个高度以及低估的裹尸布。后者表明停滞地区的不良行为的方法。切向速度的糟糕的预测被认为是负责坏协议的工作与测试数据交换。关于损失,数值预测是好的从中心到裹尸布。令人惊讶的是,稳定仿真与测试数据似乎稍微更好的协议。更精确的结果是预期从完整的环情况下考虑更多的流动物理。
图5
实验和数值转子工作和损失。
数值方法的predictivity现在检查定子。径向分布的发病率和压力比在图
6 。在入口,流量是预测的两种方法从中心到30%的叶片。从这个高度,伟大的差异记录。混合平面方法似乎给更好的结果比不稳定的情况。这可以解释为轴平面的位置的径向分布提取:转子/定子轴向距离太小,把超过一个五孔探针。提取飞机为定子转子出口的进口是一样的,坐落在数值混合平面。关于定子损失,同时模拟远远低估了压力比。
图6
实验和数值定子发病率和损失。
在图
7 静脉阻塞的一个实例,给出了由定子引发大规模的分离,对所有方法。数值方法之间出现显著差异时,方位变化被认为是。这个结果显然败坏混合平面方法,强调相关性不稳定的情况下预测流动物理在定子,尽管略有高估最大速度的中心。
图7
实验和数值减少定子出口轴向速度。
最后,在转子,流拓扑被这两种方法都很好,除了工作陷入停滞的地区分布和附近的中心。这一点导致怀疑动荡关闭。内部研究的影响进行了调查大量的湍流模型。然而,没有了明显改善,尽管据报道对海温和Spalart-Allmaras模型是最好的。总的来说,整个阶段渗透率相对较好预测两种方法。定子产生的差异,比稳定不稳定的方法似乎更相关,特别是在方位方向考虑。然而,在这两种情况下,定子的总压损失严重评估,强调的潜在不跑的方法来捕获分离流动的物理风车。第一次改进的模拟是使用层流湍流过渡模型来考虑雷诺数效应。这个解决方案测试通过使用Langtry等提出的模型。
16 ,
17 在更精细的网格(14分)为了尊重需求的方法。目睹了在转子不存在差异。在定子,没有达到改善:细微差别,压力损失是唯一一点值得被报道。下一步将尝试LES计算捕捉更多流动物理。
5.3。当地流动拓扑
这部分的目的是检查如果通用的趋势,典型的风车旋转流动,与混合平面的方法记录前一个纸上的作者([
11 ])上观察时均不稳定计算。
图
8 显示了静压轮廓与转子中心附近的流线。数值结果非常相似。曲率影响枢纽内边界层产生crosstream直接反向与转子旋转。
图8
数值转子静态压力轮廓和流线在中心附近。
同样,在转子出口的径向速度轮廓图
9 强调模拟得到了相同的结果。此外,每个通道显示相同的模式。
图9
数值转子径向速度轮廓。
上述结果导致最后相同的3 d结构的转子分离,作为显示在图
10 。流对整个前缘分离但传播的裹尸布由于阳性值径向速度和可靠性降低。总的来说,所有的关于转子拓扑结果证实了计算不稳定。
图10
数值转子零轴向速度等值面。
图
11 介绍了轴向速度的轮廓计算定子出口。极端值更重要的稳定混合平面模拟比时间上的解决方案。流拓扑是平滑的这后一种情况由于同质化使时间和空间约束释放。
图11
数值定子出口轴向速度轮廓。
先前所报道的数值结果是,一般来说没有显著差异之间存在稳定的混合平面计算和转子时均不稳定的情况。这个结果来自这样一个事实:述只影响转子系统渗透率和不修改拓扑(
8 ]。在定子上,差异报告在极端值和流拓扑。这最后一点将在下一节中调查。
6。分析定子分离的风车
在本节中,目标是分析定子的非定常三维结构分离,呈现在图
12 在给定的时间步长和连续8通道。方便,更好地理解这些段落的编号表示在这一节中给出的数据。分离流可视化由于零轴向速度等值面。主要的差异是发现的后缘到另一个从一个通道,在分离结构高度发展的三个方向。提示地区分离扩展轴向和径向从通道1到4。在这最后一段,分离是截断这意味着分离的方位宽度分布在至少两个段落。径向,漩涡似乎摆脱裹尸布,然后向中心迁移,而流水出口。
图12
数值零轴向速度等值面定子叶片在一个给定的时间步连续8通道。
图
13 描述了熵的演化在时间轮廓在叶片间的观点在不同的时间步长在一个转子。转子和定子叶片都是遵循转子旋转。相应的定子theta-averaged径向分布攻角在给定的时间提出了用黑色粗线(在其他时间步骤和灰色)。红线对应于转子期间时均配置文件。这一数字证实了定子的锁相分离的转子通道首次报道了杜福尔et al。
5 ,
10 ]。结构,确定定子出口,似乎发展的相反的方向旋转。图说明静脉阻塞通常是更重要的比转子在定子。在风车旋转操作,二次流动负责tipward转子的运动分离,它扩大了尾流影响定子(
11 附近的裹尸布。这或许可以解释为什么大多数绝对流动角变化地区位于顶端。
图13
数值熵轮廓和零轴向速度等值线在定子中跨叶片间的观点。绝对角径向分布在给定的时间步(黑线),意味着在红色。
完全理解的定子的三维结构分离,其径向进化正在调查中。熵轮廓和零轴向速度等值线在定子出口图给出
14 在转子内。此外,提出了径向速度分布的同时提取步骤和固定方位角度(黑粗线)。红线对应于转子期间时均配置文件。可以看到,有一个伟大的异质性虽然熵值附近最高的分离是最大规模的裹尸布。径向速度的符号被通过在转子内3号修改几次。这表明,流体在这段或者向中心和裹尸布,证明定子径向不稳定的分离。这种行为是周期约束的结果引起的位移等距的高熵区域(空间模式3将在相反的方向旋转)。作者的知识,到目前为止不稳定径向分离的行为从来没有在文献中报道关于风车旋转操作。
图14
数值熵轮廓和零轴向速度等值线在定子出口。径向速度分布在给定的时间步(意味着在红色)。
数值结果显示高度不稳定的三维分离发生在定子。彻底了解这个拓扑仍有待实现但分离区显然锁定转子的阶段。裹尸布地区这种现象尤为重要,转子后最宽的是由于二次流的影响。巨蜥计算揭示了一个有趣的拓扑风车旋转流的理解而言。然而,这样一个昂贵的方法没有附加值有关全球性能估算或转子局部拓扑结构的理解。实验初步结果还显示一些复杂的不稳定行为的迹象,但完整的实验活动仍在进行中。
7所示。结论
本文的第一个目标是比较全球和本地性能之间的混合平面稳定计算和方程的时均解一个完整的环不稳定计算,轴流式通风机的操作在一个选择操作点load-controlled风车。第二个目标是分析定子分离一个转子期间更好地理解其三维结构。以下结果来自前面的讨论:
(我)
小差异是可见的在全球和转子径向混合平面之间的性能计算和方程的时均解不稳定的情况。
(2)
两种方法之间的显著差异报告在定子满环的方法似乎更代表流,特别是在pitch-wise方向。
(3)
关于转子拓扑,小数值和实验结果之间的差异记录从30%的叶片跨度有关预测工作。这是估算的3 d三角形转子分离几乎不影响该地区附近的中心。坏的预测强度停滞地区以及回贴的位置被怀疑参与。此外,在定子,数值预测的损失远没有实验数据。总之,跑的相关性方法风扇load-controlled风车可以操作,受到质疑。
(iv)
在风车,定子的结构分离高度立体的和锁定转子的阶段。
8。视角
未来的工作重点
(我)
对非定常计算模态分析;
(2)
在转子出口不稳定测量分析的光谱内容风车旋转流(Kulite探测器);
(3)
热线测量转子和定子出口调查分离结构。
命名法
上标
。
^
:
评估在转子出口意味着二次半径。
下标
。
1
:
入口
。
2
:
转子进口
。
3
:
转子/定子出口入口
。
4
:
定子出口
。
5
:
出口。
缩写
斜 :
偏态
Asp.ratio :
纵横比
Exp.ratio :
膨胀率。
罗马的象征
h
我
:
绝对总焓(J·公斤−1 )
我
:
发病率(
∘
)
P
:
绝对静压(Pa)
P
我
:
绝对总压强(Pa)
r
:
半径(米)
U
:
叶片的速度(m·s−1 )
V
:
绝对速度(m·s−1 )
V
r
:
绝对的径向速度(m·s−1 )
V
t
:
绝对的切向速度(m·s−1 )
V
x
:
绝对轴向速度(m·s−1 )
W
:
相对速度(m·s−1 )。
希腊字母
β
:
相对气流角(
∘
)
δ
:
转子出口偏差(
∘
)(=
β
- - - - - -
β
米
e
t
一个
l
)
Π
:
压力比
η
:
全球效率
ϕ
:
流量系数
ψ
:
载荷系数
ω
:
角叶片速度(rad·s−1 )。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本研究的范围内执行CORAC基因组计划,旨在优化电源管理更多的电动飞机。作者想表达自己的感激之情CORAC财团,在政府主动协调航空的研究工作。作者也感谢无价的,感谢工作的技术人员在测试设备。
[
]1
Courty-Audren
研究。
识别等理解des韧aerodynamiques谎言盟potentiel de恢复d 'energie。应用程序一个联合国ventilateur轴subsonique en自动旋转[博士。论文)
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辛格
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