ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA ESCUELA INGENIERIA MECÁNICA
TEMA: ELABORACION DE UN TUNEL DE VIENTO PARA PRUEBAS AERODINAMICAS
INTEGRANTES: BRYAN CARRASCO WILLIAM ROBAYO JOSÉ CHIMBO RENATO QUISPILLO ROMARIO REMACHE SHAMIRA CHAMORRO
ASIGNATURA: FISICA II Y LABORATORIO
DOCENTE: ING. EDER CRUZ
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INDICE RESUMEN…………………………………..……………………………………………..3 INTRODUCCION…………………………………………………………………….……4 JUSTIFICACION……………………………………………………………….………….4 OBJETIVOS……………………………………………………………………………….5
MARCO TEORICO HISTORIA DE LOS TÚNELES DE VIENTO…………………………………...………6 LA CARGA ALAR………………………………………………………………………...8 LA CARGA ALAR Y EL RADIO DE GIRO…………………………………………...11
CÓMO FUNCIONA EL TÚNEL DE VIENTO…………………………………………12 CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES DE VIENTO…………………………………13
PRINCIPIOS DE BERNOULLI………………………………………………………...10 ECUACION DE BERNOULLI………………………………………………………….18 LINKGRAFIA…………………………………………………………...……………….19 BIBLIOGRAFIA………………………………………………………………………….19
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RESUMEN El flujo de fluido puede estudiarse cualitativa y cuantitativamente haciéndolo desarrollar dentro de un túnel de viento, con determinados parámetros (velocidad, presión y temperatura) que se mantienen bajo control e interponiendo en su trayectoria distintos cuerpos que se quieran observar. En ese marco, el presente trabajo persigue una doble finalidad; mostrar las características de ese flujo, y además lograr la recopilación de datos de los fenómenos que se manifiestan en el interior de un túnel de viento aerodinámico, para este caso, a través de simulaciones y sus análisis pertinentes, que servirán también para contrastar con los resultados experimentales. El estudio de los fenómenos aerodinámicos que ocurren en la atmósfera mediante ensayos en túneles de viento, requiere la simulación de la capa límite atmosférico. En el proceso de comparación entre una capa límite simulada en un túnel de viento y la capa límite atmosférica, se analiza la distribución de la velocidad media y los parámetros turbulentos.
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CAPITULO I
INTRODUCCION El túnel de viento es una herramienta de investigación mu y utilizada en la actualidad ya que, permite realizar estudios de las características aerodinámicas que presentan los cuerpos al interactuar con el aire o, visto desde otra perspectiva, el efecto que produce en el aire la interposición de un objeto determinado. La importancia de esta herramienta reside en la posibilidad de realizar estudios de modelos a escala (normalmente escalas de reducción), del prototipo real. Esta posibilidad reduce los costos y mejora el diseño final del prototipo. Claro está que el uso de esta herramienta es fructífero si está correctamente diseñada, es decir, si cada uno de sus elementos constituyentes cumple con los requisitos de funcionalidad requeridos. Una fuerza aerodinámica se genera cuando una corriente de aire fluye sobre y por debajo de un perfil. El punto donde esta corriente se divide se lo denomina “punto de impacto”. Todos estos fenómenos podrán ser estudiados con la ayuda de un túnel de viento o túnel aerodinámico ya que se podrá realizar prácticas en tiempo real de cómo interactúa el viento en contra de una ala de avión.
JUSTIFICACIÓN En nuestros tiempos la mayoría de personas por no decir en su totalidad realizan modificaciones estéticas en el diseño de aviones, las que son realizadas principalmente en cambios exteriores con la única visión de disfrute visual. El túnel de viento nos ayudara a realizar pruebas prácticas de cómo es la interacción y la resistencia de como ejerce el viento, con el objeto antes mencionado y será construido para proporcionar al estudiante tanto como al profesor de una manera sencilla de entender los conocimientos impartidos en su materia y realizar un cambio de la parte teórica a la practica en tiempo real, cargando diferentes opciones de velocidad en los que se encuentra el avión, además el estudiante podrá ver los resultados de las pruebas que se realizan con dicho proyecto.
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OBJETIVO OBJETIVO GENERAL
Diseño y construcción de un túnel de viento para pruebas aerodinámicas cargando diferentes opciones de velocidad en un determinado tiempo.
OBJETIVO ESPECIFICO
Conocer los principios básicos que rigen el funcionamiento de un túnel de viento para pruebas aerodinámicas. Construir los distintos componentes que constituyen el túnel aerodinámico. Realizar pruebas de funcionamiento. Conocer las partes de un túnel de viento y entender la importancia de la aerodinámica.
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CAPITULO II
MARCO TEORICO HISTORIA DE LOS TÚNELES DE VIENTO El ingeniero militar inglés Benjamín Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para realizar experimentos de resistencia dentro de la teoría de la aviación. George Cayley (1773-1857), también usó un brazo giratorio para medir la resistencia y sustentación de varios álabes. Su brazo giratorio era de 5 pies de largo y logró velocidades en la punta de entre 10 y 20 pies por segundo. Armado con los datos de las pruebas del brazo, Cayley construyó un planeador pequeño que se cree que haya sido uno de los primeros vehículos más pesados que el aire que se empleó con éxito para llevar a un hombre en la historia. Sin embargo, el brazo giratorio no produce un flujo de aire que impacte las formas de la prueba a una incidencia normal. Las fuerzas centrífugas y el hecho de que el objeto está moviéndose a través de su propia estela significan que una examinación detallada del flujo de aire es difícil. Francis Herbert Wenham (1824-1908), un Miembro del Consejo de la Sociedad Aeronáutica de Gran Bretaña, arregló estos problemas, diseñando y operando el primer túnel aerodinámico en 1871. Un túnel de viento conocido como «tubo aerodinámico» fue diseñado y construido por Tsiolkovski en 1897. Una vez que este descubrimiento vio la luz, datos técnicos detallados se extrajeron rápidamente. Se acredita a Wenham y a su colega Browning de muchos descubrimientos fundamentales, incluyendo la revelación de los efectos beneficiosos de una proporción del aspecto alta. Carl Rickard Nyberg usó un túnel aerodinámico al diseñar su Flugan en 1897. En experimentos, el inglés Osborne Reynolds (1842-1912) de la Universidad de Mánchester demostraba que el patrón del flujo de aire sobre un modelo a escala sería el mismo para el vehículo real si cierto parámetro del flujo fuera el mismo en ambos casos. Este factor, ahora conocido como el Número de Reynolds, es un parámetro básico en la descripción de todas las situaciones fluido-flujo, incluyendo las formas de los patrones del flujo, la facilidad de transmisión del calor y la presencia de la turbulencia. Esto comprende la justificación científica central para el uso de modelos en los túneles aerodinámicos al simular los fenómenos de la vida real.
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Los hermanos Wright usaron un túnel aerodinámico simple en 1901 para estudiar los efectos de la corriente de aire al pasar por varias formas mientras desarrollaban a su Wright Flyer. Era en parte, algo revolucionario. El uso subsiguiente de túneles aerodinámicos fue proliferando como la ciencia aerodinámica y las disciplinas de ingeniería aeronáutica y se desarrollaron los viajes y el poder aéreo. Los túneles aerodinámicos estaban a menudo limitados por el volumen y la velocidad de la corriente de aire que podría entregarse. El túnel aerodinámico usado por los científicos alemanes en Peenemünde durante La Segunda Guerra Mundial es un ejemplo interesante de las dificultades asociadas con extender el rango útil de un túnel aerodinámico, donde se emplearon cuevas naturales que se aumentaron en tamaño mediante la excavación y entonces fueron selladas para guardar grandes volúmenes de aire que podría ser redireccionado a través de los túneles. Esta innovación permitió la investigación de los regímenes de alta velocidad y aceleraron la proporción y los esfuerzos de la ingeniería aeronáutica de Alemania. El primer túnel de viento supersónico fue construido en Alemania , con una potencia de 100.000 caballos de vapor. Después de la Segunda Guerra Mundial, fue desmantelado y trasladado a Estados Unidos.
CÓMO FUNCIONA EL TÚNEL DE VIENTO El aire es soplado o aspirado a través de un conducto equipado con rejillas estabilizadoras al comienzo para garantizar que el flujo se comporte de manera laminar o con obstáculos u otros objetos si se desea que se comporte de forma turbulenta. Los modelos se montan para su estudio en un equipo llamado balanza a la cual están adosados los sensores que brindan la información necesaria para calcular los coeficientes de sustentación y resistencia, necesarios para conocer si es factible o no emplear el modelo en la vida real. Además son empleados otros dispositivos para registrar la diferencia de presiones en la superficie del modelo en cuestión. Los resultados prácticos deben ser comparados con los resultados teóricos, teniendo fundamentalmente en cuenta el Número de Reynolds y el Número Mach que constituyen los criterios de validación en las pruebas con modelos a escala.
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LA CARGA ALAR Se refiere al peso que soporta un ala medido usualmente en kilos por metro cuadrado (kg/m^2) o libras por pie cuadrado (Lbs/ft^2) y en general se puede u tilizar cualquier unidad de peso por unidad de superficie. La carga alar es uno de los parámetros más complejos que hay que tener en cuenta cuando se diseña un avión para una determinada misión. La carga alar afecta a muchos componentes del avión (motores, estructura, dimensiones, etc.) pero también afecta a las prestaciones, rendimiento o comportamiento del mismo, lo que se conoce en inglés como "performance" y que en español también traducimos como "actuaciones" del avión. De la misma forma las velocidades de despegue y aterrizaje deben de eser mayores. Otro efecto de la carga alar se puede ver en la maniobrabilidad. Cuanto más carga alar menor maniobrabilidad. Esto que aquí se dice son reglas generales, ya que la maniobrabilidad también se puede ganar aplicando fuerza de motor, tal es el caso de los cazas que tienen mucha más carga alar que aviones utilitarios, pero son más maniobrables. Como en todo, la carga alar es un difícil parámetro que hay que manejar cuando se diseña un aparato, ya que lo que gana por un lado en prestaciones lo puede perder por otro y viceversa. Lo cur ioso del asunto de la carga alar es que también se da en los organismos biológicos. Mariposas y murciélagos por ejemplo, pero sobre todo en los pájaros. Un magnífico artículo sobre esto se puede leer aquí.
Vamos con las fórmulas y los datos, en plan sencillo y sin ser muy rigurosos estableceremos lo siguiente:
Convendremos que la sustentación se crea en el ala (fundamentalmente).
La fórmula de la sustentación es la ya conocida y de la que hemos hablado en este blog, en la que se tiene en cuenta la densidad del aire, la velocidad, el ángulo de
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ataque y la superficie alar. Son valores directamente proporcionales, o lo que es lo mismo, a más densidad, velocidad, ángulo de ataque o superficie alar, mas sustentación:
Cuando un avión vuela recto y nivelado existen cuatro fuerzas fundamentales que se mantienen en equilibrio, tal como se muestra en la ilustración:
Las fuerzas que hoy nos interesan son las generadas por el peso y por la sustentación. En vuelo recto y nivelado ambos vectores tienen el mismo modulo y dirección, pero sentido opuesto. Las fuerzas se hayan en e equilibrio, tal cual sucede cuando el avión se encuentra en tierra. El peso se contrarresta bien con la sustentación o bien con la reacción contraria de la tierra.
Sabiendo que ambas fuerzas son iguales, tanto nos da tomar una como otra, lo cual se puede ver en la formula de abajo:
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Al tomar el peso del avión (W) la fórmula no varía, quedando W (peso) igual al resto de componentes. Podemos transcribir la formula ahora en función de la velocidad del avión (V) y si consideramos que los elementos que nos interesan son el peso y la superficie alar (S), podremos establecer que los demá s elementos no varían (son constantes) y eliminarlos de la fórmula de la siguiente manera:
Siendo W/S la carga alar. Por lo tanto y tal como decíamos anteriormente, sin ser muy rigurosos, la velocidad de la aeronave es proporcional a su carga alar y se puede expresar de la siguiente manera.
Con esta información se pueden contestar muchas preguntas de carácter practico, como por ejemplo la siguiente: imaginemos que en el diseño de un avión queremos que este tenga una baja velocidad de entrada en perdida, ya que esta es una característica deseable, pues proporciona velocidades menores de despegue y aterrizaje y también permite operar desde pistas más cortas. Hemos establecido, por poner un ejemplo, que la perdida de nuestro avión debe de ser del orden de 100 km/h. A la hora de producir el primer prototipo hemos tenido que hacer diferentes modificaciones estructurales y desafortunadamente el prototipo pesa un 40% mas de lo que habíamos proyectado en un principio. ¿Como afecta este incremento de peso a nuestra velocidad? Calcularlo es tan sencillo como esto:
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O lo que es lo mismo, nuestra velocidad de pérdida se ha incrementado un 18% Para solventar el problema, si el peso no se pudiera reducir, el diseñador podría optar por instalar unos flaps del tipo "Fowler".
Tal como se pude ver, este tipo de flaps se despliegan hacia atrás y hacia abajo, aumentando considerablemente el área o superficie del ala, con lo que la carga alar se reduce y se consiguen velocidades de pérdida (...y por lo tanto de despegue) mucho más bajas. Existen más soluciones, pero el post se haría interminable, esto solo es un pequeño ejemplo. La carga alar y el radio de giro.
A la hora de efectuar un giro se debe de iniciar el alabeo del avión en la dirección del giro, esto es lo que de denomina en ingles "bank". Incrementando el ángulo de alabeo (bank angle) se consiguen giros más cerrados, pero existe una pérdida de sustentación que hará caer el morro. Para compensar esta caída del morro se tira de la palanca hacia atrás para incrementar el ángulo de ataque, lo cual genera más sustentación (L) y también más resistencia (D). Todo esto a la vez incrementa el factor de carga. Para compensar estos efectos se añade potencia. es algo parecido a lo que ocurre cuando se intenta un looping, por eso se ha dicho que un giro es como hacer una trepada, solo que se hace alrededor del giro. En la ilustración inferior se muestran las fuerzas que intervienen en el giro de un avión. exactamente igual que lo que ocurre con cualquier cuerpo sometido a un movimiento circular, en el avión también existe una fuerza centrípeta.
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La fuerza centrípeta que mantiene al avión en el giro sin perder altura es la componente horizontal de la sustentación (L) y es igual a . Siendo v la velocidad del avión y R el radio de giro. La componente horizontal de L depende del angulo de alabeo (bank angle), así que la expresamos como , donde theta es dicho ángulo. Aplicando al segunda ley de Newton:
y
despejando
R:
Lo que nos indica la fórmula es que cuanto menor sea la carga alar mas pequeño es el radio de giro y viceversa. Esto es algo que intuitivamente ya habíamos apreciado seguramente antes al pensar que cuanto más peso tenga un avión, más inercia y más grande debe de ser su radio de giro.
Otras pruebas realizadas en túneles de viento
Pueden unirse hebras a la superficie de estudio para detectar la dirección del flujo de aire y su velocidad relativa. Pueden inyectarse tintes o humo en el flujo de aire para observar el movimiento de las partículas, o sea, como se turbulizan al pasar por la superficie.
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Pueden insertarse sondas en puntos específicos del flujo de aire para medir la presión estática y dinámica del aire.
Teoría de empleo de los túneles de viento Todos los equipos y sistemas inventados por el hombre se rigen por leyes físicas fundamentales que permiten su utilidad en la sociedad. Para un túnel ae rodinámico el principio fundamental que se pone de manifiesto es el de reversibilidad del movimiento. De acuerdo a éste, en lugar de observar el movimiento de un cuerpo en su medio inmóvil, podemos observar el movimiento del medio con relación al cuerpo inmóvil. En este caso, la velocidad del flujo no perturbado en un medio reversible será igual a la velocidad del mismo cuerpo cuando el aire está inmóvil.
CLASIFICACIÓN DE LOS TÚNELES DE VIENTO Los túneles aerodinámicos se clasifican en función de varios aspectos los cuales son:
Por la circulación del aire en su interior:
Abierto: se toma el aire directamente de la atmósfera y después de hacerlo pasar por la cámara de ensayo se devuelve nuevamente a ella. Cerrado: el aire circula varias veces por la cámara, recuperando por medio de un difusor su energía fluida, antes de llegar de nuevo a la zona donde se encuentra instalado el difusor.
Por la velocidad del flujo en su interior: Subsónico
Transonico
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Supersónico Hipersónico
COMPOSICIÓN GENERAL PRESENTE EN LOS TÚNELES DE VIENTO Ventilador Produce la corriente de aire del circuito en el que se desar rolla la circulación de aire. Debe ser la velocidad adecuada para que la medición sea exacta.
Cámara de ensayos En la que se sitúa el modelo experimental a probar. El tamaño de la cámara de ensayo es una de las características más importante de un túnel, ya que una de grandes dimensiones permite probar modelos sin gran reducción de escala con respecto al original, lo que permite mantener el índice de semejanza del número de Reynolds.
Estabilizadores de corriente tras el ventilador Con el fin de que quede anulada la rotación comunicada por el ventilador.
Ventanillas anti-pompaje Ventanillas o rejillas que permiten el equilibrio de las presiones y evitan las oscilaciones críticas de las mismas.
Difusor Con el objetivo de reducir la velocidad expandiendo el fluido y recuperando la presión estática, el difusor está dividido en dos partes por el ventilador. Los difusores son muy sensibles a errores de diseño, pueden crear separación de la capa límite de manera intermitente o estable que es difícil de detectar y pueden crear vibraciones en el túnel, oscilación en el ventilador y variación en la velocidad de la
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sección de prueba. Hay que tener en cuenta que el aire que llega al difusor no es laminar, el aire que sale de la sección de prueba no es uniforme lo que hace cada vez más difícil el trabajo del difusor.
Cono de contracción Tiene la función de aumentar la velocidad del flujo. Los túneles aerodinámicos se pueden construir de diferentes materiales como por ejemplo: de chapas de acero, aluminio, fibrocemento, tejido metálico con mampostería, plástico reforzado e tc. Sin embargo la construcción mixta de madera y acero se impuso finalmente, pues el mismo es fácil de trabajar y mantener.
PROBLEMAS QUE SE ENFRENTAN CON LAS MEDICIONES EN UN TUNEL AERODINAMICO Limitaciones por efecto de escala Estas limitaciones están dadas por la reducción del tamaño del modelo a la hora de su comprobación y análisis. Por ejemplo: un modelo de 1:4 de escala, debe ser probado a 4 veces la velocidad real. Lo cual demuestra que a medida que el modelo sea menor, mayor deberá ser la velocidad empleada en la sección de prueba, la cual puede estar limitada por la velocidad máxima del túnel con el que se cuenta. Estas limitaciones se anulan si se emplea un túnel presurizado.
Tamaño del modelo Los investigadores aerodinámicos deben hallar un compromiso entre el tamaño del modelo y el del túnel. La decisión está más bien dictada por consideraciones de costo. Una vez que los números de Reynolds y Mach reales no puedan ser reproducidos, los datos experimentados son afectados por los efectos de escala, algunas veces estos últimos son despreciables. Para el caso de flujos transónicos y de baja velocidad, el efecto de escala si es considerado.
Problemas de interferencia (fenómeno de bloqueo) La interferencia en la sección de prueba debido al bloqueo del flujo por el modelo es un problema que debe ser tratado con los ajustes necesarios y correcciones de los datos obtenidos. El bloqueo del flujo ocurre durante las pruebas con modelos relativamente grandes en la sección de túneles de tamaño limitado. Este bloqueo se define como el radio de la sección frontal del modelo al área de la sección de prueba. Se necesitan radios de bloqueo menores del 10% de la sección a pesar de que muchas veces esto se excede con creces. Para las pruebas aerodinámicas, este bloqueo no debe ser mayor que el 5%. La presencia del modelo en la sección
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de prueba tiene como resultado que al bloquear el flujo aumenta la presión en las paredes del túnel. Por esta razón, los túneles de sección abierta se emplean a menudo. Las correcciones por bloqueo son todavía un fa ctor activo de investigación.
PRINCIPIOS DE BERNOULLI
En dinámica de fluidos, el principio de Bernoulli, también denominado ecuación de Bernoulli o trinomio de Bernoulli , describe el comportamiento de un líquido moviéndose a lo largo de una corriente de agua.
La ecuación de Bernoulli La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes:
cinética: es la energía debida a la velocidad que posea el fluido. potencial o gravitacional: es la energía debido a la altitud que un fluido posea. energía de presión: es la energía que un fluido contiene debido a la presión que posee.
La siguiente ecuación conocida como "ecuación de Bernoulli" (trinomio de Bernoulli) consta de estos mismos términos.
+ + =
Para aplicar la ecuación se deben realizar los siguientes supuestos:
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Viscosidad (fricción interna) = 0 Es decir, se considera que la línea de corriente sobre la cual se aplica se encuentra en una zona 'no viscosa' del fluido. Caudal constante Flujo incompresible, donde ρ es constante. La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente o en un flujo laminar.
Aunque el nombre de la ecuación se debe a Bernoulli, la forma arriba expuesta fue presentada en primer lugar por Leonhard Euler. Un ejemplo de aplicación del principio se da en el flujo de agua en tubería.
También se puede reescribir este principio en forma de suma de presiones multiplicando toda
la ecuación por γ Plantilla: de esta forma el término relativo a la velocidad se llamará presión dinámica, los términos de presión y altura se agrupan en la presión estática.
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o escrita de otra manera más sencilla: + =
Donde:
=
= +
ECUACION DE BERNOULLI CON FRICCION Y TRABAJO EXTERNO La ecuación de Bernoulli es aplicable a fluidos no viscosos, incompresibles en los que no existe aportación de trabajo exterior, por ejemplo mediante una bomba, ni extracción de trabajo exterior, por ejemplo mediante una turbina. De todas formas, a partir de la conservación de la cantidad de movimiento para fluidos incompresibles se puede escribir una forma más general que tiene en cuenta fricción y trabajo:
+
+ + = +
+
+
Conclusiones:
Recomendaciones:
LINKGRAFIA
http://www.tesisymonografias.info/tunel-viento/1/?q=tunel-viento&pag=1 https://www.youtube.com/watch?v=BW0UmTEMMAc https://www.google.es/?gws_rd=ssl#q=teorema+de+bernoulli
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https://www.google.com.ec/search?q=google&oq=GOOL&aqs=chrome.1.69 i57j0l5.2375j0j7&sourceid=chrome&ie=UTF-8#q=tunel+de+viento
BIBLIOGRAFIA
WITTWER, ADRIÁN; MARIO E. DE BORTOLI, M. B. NATALINI. Variación de los parámetros característicos de una simulación de la capa límite atmosférica en un túnel de viento. DELNERO, J. S; MARAÑON DI LEO, J.; BACCHI, F. A.; COLMAN, J. & COLOSQUI, C. E. Determinación experimental en túnel de capa límite de los coeficientes aerodinámicos de perfiles de bajos Reynolds.
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