Analysis of energy dissipation in stirred suspension polymerisation reactors using computational fluid dynamics

This work evaluates the spatial distribution of normalised rates of droplet breakage and droplet coalescence in liquidliquid dispersions maintained in agitated tanks at operation conditions normally used to perform suspension polymerisation reactions. Particularly, simulations are performed with multiphase computational fluid dynamics (CFD) models to represent the flow field in liquidliquid styrene suspension polymerisation reactors for the first time. CFD tools are used first to compute the spatial distribution of the turbulent energy dissipation rates (e) inside the reaction vessel; afterwards, normalised rates of droplet breakage and particle coalescence are computed as functions of e. Surprisingly, multiphase simulations showed that the rates of energy dissipation can be very high near the free vortex surfaces, which has been completely neglected in previous works. The obtained results indicate the existence of extremely large energy dissipation gradients inside the vessel, so that particle breakage occurs primarily in very small regions that surround the impeller and the free vortex surface, while particle coalescence takes place in the liquid bulk. As a consequence, particle breakage should be regarded as an independent source term or a boundary phenomenon. Based on the obtained results, it can be very difficult to justify the use of isotropic assumptions to formulate particle population balances in similar systems, even when multiple compartment models are used to describe the fluid dynamic behaviour of the agitated vessel. (C) 2011 Canadian Society for Chemical Engineering

URANS calculations for smooth circular cylinder flow in a wide range of Reynolds Numbers: solution verification and validation

The flow around circular smooth fixed cylinder in a large range of Reynolds numbers is considered in this paper. In order to investigate this canonical case, we perform CFD calculations and apply verification & validation (V&V) procedures to draw conclusions regarding numerical error and, afterwards, assess the modeling errors and capabilities of this (U)RANS method to solve the problem. Eight Reynolds numbers between Re = 10 and Re 5 x 10(5) will be presented with, at least, four geometrically similar grids and five discretization in time for each case (when unsteady), together with strict control of iterative and round-off errors, allowing a consistent verification analysis with uncertainty estimation. Two-dimensional RANS, steady or unsteady, laminar or turbulent calculations are performed. The original 1994 k - omega SST turbulence model by Menter is used to model turbulence. The validation procedure is performed by comparing the numerical results with an extensive set of experimental results compiled from the literature. [DOI: 10.1115/1.4007571]

Effect of a propeller duct on AUV maneuverability

A number of autonomous underwater vehicles, AUV, are equipped with commercial ducted propellers, most of them produced originally for the remote operated vehicle, ROV, industry. However, AUVs and ROVs are supposed to work quite differently since the ROV operates in almost the bollard pull condition, while the AUV works at larger cruising speeds. Moreover, they can have an influence in the maneuverability of AUV due to the lift the duct generates in the most distant place of the vehicle's center of mass. In this work, it is proposed the modeling of the hydrodynamic forces and moment on a duct propeller according to a numerical (CFD) simulation, and analytical and semi-empirical, ASE, approaches. Predicted values are compared to experimental results produced in a towing tank. Results confirm the advantages of the symbiosis between CFD and ASE methods for modeling the influence of the propeller duct in the AUV maneuverability. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Computational and experimental characterization of a low-cost piezoelectric valveless diaphragm pump

Flow pumps act as important devices in areas such as Bioengineering, Medicine, and Pharmacy, among other areas of Engineering, mainly for delivering liquids or gases at small-scale and precision flow rate quantities. Principles for pumping fluids based on piezoelectric actuators have been widely studied, since they allow the construction of pump systems for displacement of small fluid volumes with low power consumption. This work studies valveless piezoelectric diaphragm pumps for flow generation, which uses a piezoelectric ceramic (PZT) as actuator to move a membrane (diaphragm) up and down as a piston. The direction of the flow is guaranteed by valveless configuration based on a nozzle-diffuser system that privileges the flow in just one pumping direction. Most research efforts on development of valveless flow pump deal either with computational simulations based on simplified models or with simplified physical approaches based on analytical models. The main objective of this work is the study of a methodology to develop a low-cost valveless piezoelectric diaphragm flow pump using computational simulations, parametric study, prototype manufacturing, and experimental characterization. The parametric study has shown that the eccentricity of PZT layer and metal layer plays a key role in the performance of the pump.

Hydrodynamic analysis of particle collection efficiency: comparing downflow and upflow filtration

Models of the filtration phenomenon describe the mass balance in bed filtration in terms of particle removal mechanisms, and allow for the determination of global particle removal efficiencies. These models are defined in terms of the geometry and characteristic elements of granule collectors, particles and fluid, and also the composition of the balance of forces that act in the particle collector system. This work analyzes particles collection efficiency comparing downflow and upflow direct filtration, taking into account the contribution of the gravitational factor of the settling removal efficiency in future proposal of initial collection efficiency models for upflow filtration. A qualitative analysis is also made of the proposal for the collection efficiency models for particle removal in direct downflow and upflow filtration using a Computational Fluid Dynamics (CFD) tool. This analysis showed a strong influence of gravitational factor in initial collection efficiency (t = 0) of particles, as well as the reasons of their values to be smaller for upflow filtration in comparison with the downflow filtration.

Development of heat sink device by using topology optimization

Small scale fluid flow systems have been studied for various applications, such as chemical reagent dosages and cooling devices of compact electronic components. This work proposes to present the complete cycle development of an optimized heat sink designed by using Topology Optimization Method (TOM) for best performance, including minimization of pressure drop in fluid flow and maximization of heat dissipation effects, aiming small scale applications. The TOM is applied to a domain, to obtain an optimized channel topology, according to a given multi-objective function that combines pressure drop minimization and heat transfer maximization. Stokes flow hypothesis is adopted. Moreover, both conduction and forced convection effects are included in the steady-state heat transfer model. The topology optimization procedure combines the Finite Element Method (to carry out the physical analysis) with Sequential Linear Programming (as the optimization algorithm). Two-dimensional topology optimization results of channel layouts obtained for a heat sink design are presented as example to illustrate the design methodology. 3D computational simulations and prototype manufacturing have been carried out to validate the proposed design methodology.

Numerical analysis of control surface effects on AUV

Computational fluid dynamics, CFD, is becoming an essential tool in the prediction of the hydrodynamic efforts and flow characteristics of underwater vehicles for manoeuvring studies. However, when applied to the manoeuvrability of autonomous underwater vehicles, AUVs, most studies have focused on the de- termination of static coefficients without considering the effects of the vehicle control surface deflection. This paper analyses the hydrodynamic efforts generated on an AUV considering the combined effects of the control surface deflection and the angle of attack using CFD software based on the Reynolds-averaged Navier–Stokes formulations. The CFD simulations are also independently conducted for the AUV bare hull and control surface to better identify their individual and interference efforts and to validate the simulations by comparing the experimental results obtained in a towing tank. Several simulations of the bare hull case were conducted to select the k –ω SST turbulent model with the viscosity approach that best predicts its hydrodynamic efforts. Mesh sensitivity analyses were conducted for all simulations. For the flow around the control surfaces, the CFD results were analysed according to two different methodologies, standard and nonlinear. The nonlinear regression methodology provides better results than the standard methodology does for predicting the stall at the control surface. The flow simulations have shown that the occurrence of the control surface stall depends on a linear relationship between the angle of attack and the control surface deflection. This type of information can be used in designing the vehicle’s autopilot system.

Sviluppo di metodologie per l'analisi in tempo reale delle prestazioni di un motore automobilistico

Durante il periodo di dottorato, l’attività di ricerca di cui mi sono occupato è stata finalizzata allo sviluppo di metodologie per la diagnostica e l’analisi delle prestazioni di un motore automobilistico. Un primo filone di ricerca è relativo allo sviluppo di strategie per l’identificazione delle mancate combustioni (misfires) in un motore a benzina. La sperimentazione si è svolta nella sala prove della Facoltà di Ingegneria dell’Università di Bologna, nei quali è presente un motore Fiat 1.200 Fire, accoppiato ad un freno a correnti parassite, e comandato da una centralina virtuale, creata mediante un modello Simulink, ed interfacciata al motore tramite una scheda di input/output dSpace. Per quanto riguarda la campagna sperimentale, sono stati realizzati delle prove al banco in diverse condizioni di funzionamento (sia stazionarie, che transitorie), durante le quali sono stati indotti dei misfires, sia singoli che multipli. Durante tali test sono stati registrati i segnali provenienti sia dalla ruota fonica usata per il controllo motore (che, nel caso in esame, era affacciata al volano), sia da quella collegata al freno a correnti parassite. Partendo da tali segnali, ed utilizzando un modello torsionale del sistema motoregiunto-freno, è possibile ottenere una stima sia della coppia motrice erogata dal motore, sia della coppia resistente dissipata dal freno. La prontezza di risposta di tali osservatori è tale da garantirci la possibilità di effettuare una diagnosi misfire. In particolare, si è visto che l’indice meglio correlato ala mancata combustione risultaessere la differenza fra la coppia motrice e la coppia resistente; tale indice risulta inoltre essere quello più semplice da calibrare sperimentalmente, in quanto non dipende dalle caratteristiche del giunto, ma solamente dalle inerzie del sistema. Una seconda attività della quale mi sono occupato è relativa alla stima della coppia indicata in un motore diesel automobilistico. A tale scopo, è stata realizzata una campagna sperimentale presso i laboratori della Magneti Marelli Powertrain (Bologna), nella quale sono state effettuati test in molteplici punti motori, sia in condizioni di funzionamento “nominale”, sia variando artificiosamente alcuni dei fattori di controllo (quali Start of Injection, pressione nel rail e, nei punti ove è stato possibile, tasso di EGR e pressione di sovralimentazione), sia effettuando degli sbilanciamenti di combustibile fra un cilindro e l’altro. Utilizzando il solo segnale proveniente da una ruota fonica posta sul lato motore, e sfruttando un modello torsionale simile a quello utilizzato nella campagna di prove relativa alla diagnosi del misfire, è possibile correlare la componente armonica con frequenza di combustione della velocità all’armonica di pari ordine della coppia indicata; una volta stimata tale componente in frequenza, mediante un’analisi di tipo statistico, è possibile eseguire una stima della coppia indicata erogata dal motore. A completamento dell’algoritmo, sfruttando l’analisi delle altre componenti armoniche presenti nel segnale, è possibile avere una stima dello sbilanciamento di coppia fra i vari cilindri. Per la verifica dei risultati ottenuti, sono stati acquisiti i segnali di pressione provenienti da tutti e quattro i cilindri del motore in esame.

3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

Mixed-domain simulation and hybrid wafer-level packaging of RF-MEMS devices for wireless applications

In questa tesi verranno trattati sia il problema della creazione di un ambiente di simulazione a domini fisici misti per dispositivi RF-MEMS, che la definizione di un processo di fabbricazione ad-hoc per il packaging e l’integrazione degli stessi. Riguardo al primo argomento, sarà mostrato nel dettaglio lo sviluppo di una libreria di modelli MEMS all’interno dell’ambiente di simulazione per circuiti integrati Cadence c . L’approccio scelto per la definizione del comportamento elettromeccanico dei MEMS è basato sul concetto di modellazione compatta (compact modeling). Questo significa che il comportamento fisico di ogni componente elementare della libreria è descritto per mezzo di un insieme limitato di punti (nodi) di interconnessione verso il mondo esterno. La libreria comprende componenti elementari, come travi flessibili, piatti rigidi sospesi e punti di ancoraggio, la cui opportuna interconnessione porta alla realizzazione di interi dispositivi (come interruttori e capacità variabili) da simulare in Cadence c . Tutti i modelli MEMS sono implementati per mezzo del linguaggio VerilogA c di tipo HDL (Hardware Description Language) che è supportato dal simulatore circuitale Spectre c . Sia il linguaggio VerilogA c che il simulatore Spectre c sono disponibili in ambiente Cadence c . L’ambiente di simulazione multidominio (ovvero elettromeccanico) così ottenuto permette di interfacciare i dispositivi MEMS con le librerie di componenti CMOS standard e di conseguenza la simulazione di blocchi funzionali misti RF-MEMS/CMOS. Come esempio, un VCO (Voltage Controlled Oscillator) in cui l’LC-tank è realizzato in tecnologia MEMS mentre la parte attiva con transistor MOS di libreria sarà simulato in Spectre c . Inoltre, nelle pagine successive verrà mostrata una soluzione tecnologica per la fabbricazione di un substrato protettivo (package) da applicare a dispositivi RF-MEMS basata su vie di interconnessione elettrica attraverso un wafer di Silicio. La soluzione di packaging prescelta rende possibili alcune tecniche per l’integrazione ibrida delle parti RF-MEMS e CMOS (hybrid packaging). Verranno inoltre messe in luce questioni riguardanti gli effetti parassiti (accoppiamenti capacitivi ed induttivi) introdotti dal package che influenzano le prestazioni RF dei dispositivi MEMS incapsulati. Nel dettaglio, tutti i gradi di libertà del processo tecnologico per l’ottenimento del package saranno ottimizzati per mezzo di un simulatore elettromagnetico (Ansoft HFSSTM) al fine di ridurre gli effetti parassiti introdotti dal substrato protettivo. Inoltre, risultati sperimentali raccolti da misure di strutture di test incapsulate verranno mostrati per validare, da un lato, il simulatore Ansoft HFSSTM e per dimostrate, dall’altro, la fattibilit`a della soluzione di packaging proposta. Aldilà dell’apparente debole legame tra i due argomenti sopra menzionati è possibile identificare un unico obiettivo. Da un lato questo è da ricercarsi nello sviluppo di un ambiente di simulazione unificato all’interno del quale il comportamento elettromeccanico dei dispositivi RF-MEMS possa essere studiato ed analizzato. All’interno di tale ambiente, l’influenza del package sul comportamento elettromagnetico degli RF-MEMS può essere tenuta in conto per mezzo di modelli a parametri concentrati (lumped elements) estratti da misure sperimentali e simulazioni agli Elementi Finiti (FEM) della parte di package. Infine, la possibilità offerta dall’ambiente Cadence c relativamente alla simulazione di dipositivi RF-MEMS interfacciati alla parte CMOS rende possibile l’analisi di blocchi funzionali ibridi RF-MEMS/CMOS completi.

A01. Vettori

Trasparenze presentate a lezione. Si consiglia agli studenti di stamparne una copia prima della lezione e di portarla con sé onde riportare su di essa ulteriori annotazioni.

A02. Cinematica

Trasparenze presentate a lezione. Si consiglia agli studenti di stamparne una copia prima della lezione e di portarla con sé onde riportare su di essa ulteriori annotazioni.

A03. Moti relativi

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