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文檔簡介

1、1 1爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u爆炸是一種極為迅速的物理或化學(xué)的過程。u一旦失控,發(fā)生爆炸事故,就會產(chǎn)生巨大的破壞作用。 1. 直接破壞直接破壞 2. 沖擊波破壞沖擊波破壞 3. 火災(zāi)火災(zāi) 4. 中毒中毒 5. 環(huán)境污染環(huán)境污染2爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.1 4.1.1 爆炸的直接破壞爆炸的直接破壞 機(jī)械設(shè)備、裝置、容器等爆炸后產(chǎn)生許多碎片,飛出后會機(jī)械設(shè)備、裝置、容器等爆炸后產(chǎn)生許多碎片,飛出后會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)造成危害。在相當(dāng)大的范圍內(nèi)造成危害。 一般碎片在一般碎片在100500米內(nèi)飛散。米內(nèi)飛散。3爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.2 4.1.2 爆炸的沖擊波效應(yīng)爆炸的沖擊波效應(yīng)u爆炸時(shí),產(chǎn)生的高溫高壓

2、氣體以極高的速度膨脹,象活塞一樣擠壓周圍空氣,把爆炸反應(yīng)釋放出的部分能量傳遞給壓縮的空氣層,空氣受沖擊而發(fā)生擾 動,使其壓力、密度等產(chǎn)生突變,這種擾動在空氣中傳播就稱為沖擊波。4爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.2 4.1.2 爆炸的沖擊波效應(yīng)爆炸的沖擊波效應(yīng) 2011年年11月月14日晨,西安市日晨,西安市科創(chuàng)路一家餐飲店發(fā)生爆炸科創(chuàng)路一家餐飲店發(fā)生爆炸,強(qiáng)烈的沖擊波將餐飲店所,強(qiáng)烈的沖擊波將餐飲店所在的商業(yè)大廈一層炸毀,并在的商業(yè)大廈一層炸毀,并波及路人。波及路人。 事故造成事故造成9人死亡,人死亡,34人住人住院治療。初步判定爆炸原因院治療。初步判定爆炸原因?yàn)橐夯瘹夤扌孤?。為液化氣罐泄漏?爆炸

3、效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.2 4.1.2 爆炸的沖擊波效應(yīng)爆炸的沖擊波效應(yīng)u沖擊波的傳播速度 極快,在傳播過程中,可以對周圍環(huán)境中的機(jī)械設(shè)備和建極快,在傳播過程中,可以對周圍環(huán)境中的機(jī)械設(shè)備和建筑物產(chǎn)生破壞作筑物產(chǎn)生破壞作 用和使人員傷亡。用和使人員傷亡。 所有的爆炸都伴有沖擊波,沖擊波總是在物質(zhì)膨脹速度變所有的爆炸都伴有沖擊波,沖擊波總是在物質(zhì)膨脹速度變得大于局域聲速(得大于局域聲速(340米米/秒)時(shí)發(fā)生。秒)時(shí)發(fā)生。u沖擊波還可以在它的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生震蕩作用,使物體因震蕩而松散,甚至破壞。6爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.2 4.1.2 爆炸的沖擊波效應(yīng)爆炸的沖擊波效應(yīng)u沖擊波的破壞作用主要是由其

4、波陣面上的超壓引起的。 在爆炸中心附近,空氣沖擊波波陣面上的超壓可達(dá)幾個(gè)甚在爆炸中心附近,空氣沖擊波波陣面上的超壓可達(dá)幾個(gè)甚至十幾個(gè)大氣壓(至十幾個(gè)大氣壓(1個(gè)大氣壓個(gè)大氣壓=100KPa=1kgf/cm2) “煤氣罐煤氣罐”是鋼制的移動式壓力容器,具有爆炸危險(xiǎn),它是鋼制的移動式壓力容器,具有爆炸危險(xiǎn),它的壁厚僅的壁厚僅2.5mm左右(新鋼瓶出廠標(biāo)定壁厚),非常簿,左右(新鋼瓶出廠標(biāo)定壁厚),非常簿,它時(shí)刻都承受著來自內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的壓力,正常使用時(shí)內(nèi)它時(shí)刻都承受著來自內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的壓力,正常使用時(shí)內(nèi)部壓力部壓力0.51.2MPa(合合512kgf/cm2),整個(gè)橫截面要承受,整個(gè)橫截面要承受1

5、000公斤左右的拉力。公斤左右的拉力。7爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.2 4.1.2 爆炸的沖擊波效應(yīng)爆炸的沖擊波效應(yīng)u沖擊波大面積作用于建筑物時(shí) 波陣面超壓在波陣面超壓在20kPa30kPa內(nèi)內(nèi) 可使大部分磚木結(jié)構(gòu)建筑物受到強(qiáng)烈破壞可使大部分磚木結(jié)構(gòu)建筑物受到強(qiáng)烈破壞 波陣面超壓在波陣面超壓在100kPa以上時(shí)以上時(shí) 除堅(jiān)固的除堅(jiān)固的 鋼筋混凝土建筑外,其余部分將全部破壞鋼筋混凝土建筑外,其余部分將全部破壞l注:建筑結(jié)構(gòu)注:建筑結(jié)構(gòu)l混凝土、砌體、鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼、木結(jié)構(gòu)混凝土、砌體、鋼結(jié)構(gòu)、輕型鋼、木結(jié)構(gòu)8爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.3 4.1.3 造成火災(zāi)造成火災(zāi)u爆炸后,爆炸氣體擴(kuò)散只發(fā)生在極

6、其短促的瞬間內(nèi) 對一般可燃物來說,不足以造成起火燃燒,而且沖擊波造對一般可燃物來說,不足以造成起火燃燒,而且沖擊波造成的爆炸風(fēng)還有滅火作用成的爆炸風(fēng)還有滅火作用u爆炸后,高溫高壓使建筑物內(nèi)遺留大量的熱或殘余火苗 會把可燃?xì)怏w、易燃或可燃液體的蒸氣點(diǎn)燃,也可能把其會把可燃?xì)怏w、易燃或可燃液體的蒸氣點(diǎn)燃,也可能把其它易燃物點(diǎn)燃引起火它易燃物點(diǎn)燃引起火 災(zāi)。災(zāi)。 這種情況在油罐、液化氣瓶爆破后最易發(fā)生這種情況在油罐、液化氣瓶爆破后最易發(fā)生9爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.4 4.1.4 中毒中毒 在密閉居室中使用燃?xì)馊∨?、做飯,由于通風(fēng)不良,供氧在密閉居室中使用燃?xì)馊∨⒆鲲?,由于通風(fēng)不良,供氧不充分,可

7、產(chǎn)生大量一氧化碳積蓄在室內(nèi)不充分,可產(chǎn)生大量一氧化碳積蓄在室內(nèi) 城區(qū)居民使用管道煤氣,其一氧化碳量為城區(qū)居民使用管道煤氣,其一氧化碳量為25%30%。如。如果管道漏氣、開關(guān)不緊,或燒煮中火焰被撲滅后,煤氣大果管道漏氣、開關(guān)不緊,或燒煮中火焰被撲滅后,煤氣大量溢出,可造成中毒量溢出,可造成中毒 使用燃?xì)鉄崴?,通風(fēng)不良,洗浴時(shí)間過長使用燃?xì)鉄崴?,通風(fēng)不良,洗浴時(shí)間過長10爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)u4.1.5 4.1.5 環(huán)境污染環(huán)境污染 開采造成地面塌陷,植被破壞開采造成地面塌陷,植被破壞 煤、天然氣、石油燃燒都有煤、天然氣、石油燃燒都有CO2產(chǎn)生,導(dǎo)致溫室效應(yīng)產(chǎn)生,導(dǎo)致溫室效應(yīng) 天然氣不完全燃燒會生

8、成天然氣不完全燃燒會生成CO,甲烷本身也是大氣污染源,甲烷本身也是大氣污染源,它造成溫室效應(yīng)的能力是它造成溫室效應(yīng)的能力是CO2的十幾倍,天然氣內(nèi)也有少的十幾倍,天然氣內(nèi)也有少量量H2S等雜質(zhì),污染空氣等雜質(zhì),污染空氣 煤含有煤含有S,石油含有,石油含有S、N,燃燒后均可以導(dǎo)致酸雨,燃燒后均可以導(dǎo)致酸雨11爆炸效應(yīng)爆炸效應(yīng)12爆轟波爆轟波u4.2 4.2 爆轟波爆轟波 detonation wave 以超聲速運(yùn)動的以超聲速運(yùn)動的激波激波,又稱為沖擊波,帶有化學(xué)反應(yīng)的沖,又稱為沖擊波,帶有化學(xué)反應(yīng)的沖擊波,稱為爆轟波。擊波,稱為爆轟波。u即:沖擊波+化學(xué)反應(yīng)=爆轟波13爆轟波爆轟波u4.2 4.

9、2 爆轟波爆轟波 detonation waveu19世紀(jì)80年代初,法國物理學(xué)家M.貝特洛、P.維埃耶、E.馬拉爾和H.-L.勒夏忒列等做過火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)。 他們將一個(gè)充滿可燃?xì)怏w混合物的管子一端點(diǎn)燃,發(fā)現(xiàn)火他們將一個(gè)充滿可燃?xì)怏w混合物的管子一端點(diǎn)燃,發(fā)現(xiàn)火焰通常以每秒數(shù)厘米到數(shù)米的低速傳播,但是在某些特殊焰通常以每秒數(shù)厘米到數(shù)米的低速傳播,但是在某些特殊情況下,這種緩慢的燃燒過程能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俚奶厥馊紵闆r下,這種緩慢的燃燒過程能夠轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俚奶厥馊紵^程,他們稱這種現(xiàn)象為過程,他們稱這種現(xiàn)象為爆轟爆轟。14爆轟波爆轟波15爆轟波爆轟波爆轟形成條件 1初始正?;鹧?zhèn)鞑ツ苄纬蓧嚎s擾動初始正?;?/p>

10、焰?zhèn)鞑ツ苄纬蓧嚎s擾動 2管子要足夠長或自由空間的預(yù)混氣體積要足夠大管子要足夠長或自由空間的預(yù)混氣體積要足夠大 爆轟前期間距:正?;鹧娣迮c爆轟形成位置之間的距離稱爆轟前期間距。爆轟前期間距:正?;鹧娣迮c爆轟形成位置之間的距離稱爆轟前期間距。對于光滑的管子,該爆轟前期間距為管徑的數(shù)十倍。對于光滑的管子,該爆轟前期間距為管徑的數(shù)十倍。對于表面粗糙的管子,爆轟前期間距為管徑的對于表面粗糙的管子,爆轟前期間距為管徑的24倍。倍。 3可燃?xì)鉂舛纫幱诳扇細(xì)鉂舛纫幱诒Z極限爆轟極限范圍內(nèi)范圍內(nèi)爆轟極限范圍一般比爆炸極限范圍要窄爆轟極限范圍一般比爆炸極限范圍要窄 4管子直徑大于管子直徑大于爆轟臨界直徑爆轟臨

11、界直徑管子能形成爆轟的最小直徑稱爆轟臨界直徑,約為管子能形成爆轟的最小直徑稱爆轟臨界直徑,約為1215mm。16爆轟波爆轟波17爆轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)u爆轟波的結(jié)構(gòu)是爆轟研究的主要問題。 D.L.查普曼于查普曼于1899年、年、E.儒蓋于儒蓋于1905年分別提出最簡單的年分別提出最簡單的爆轟波結(jié)構(gòu)理論,后稱為爆轟波結(jié)構(gòu)理論,后稱為C-J理論。理論。 20世紀(jì)世紀(jì)40年代,年代,.澤利多維奇澤利多維奇 、J.von諾伊曼和諾伊曼和W.杜林各杜林各自獨(dú)立地建立起了爆轟波內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型,后稱為自獨(dú)立地建立起了爆轟波內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模型,后稱為ZND模模型。型。18爆

12、轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)uCJ理論理論 它把爆轟波簡化為一個(gè)沖擊壓縮間斷面,其上的化學(xué)反應(yīng)它把爆轟波簡化為一個(gè)沖擊壓縮間斷面,其上的化學(xué)反應(yīng)瞬時(shí)完成,在間斷面兩側(cè)的初態(tài)、終態(tài)各參量可以用質(zhì)量瞬時(shí)完成,在間斷面兩側(cè)的初態(tài)、終態(tài)各參量可以用質(zhì)量、動量和能量三個(gè)守恒定律聯(lián)系起來,經(jīng)變換:、動量和能量三個(gè)守恒定律聯(lián)系起來,經(jīng)變換: 19爆轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)uCJ理論理論 式中式中p為壓強(qiáng)為壓強(qiáng),v為比容為比容,e為比內(nèi)能為比內(nèi)能,u為為質(zhì)點(diǎn)速度質(zhì)點(diǎn)速度,D為爆轟波傳播速度,下標(biāo)為爆轟波傳播速度,下標(biāo)0表示初態(tài)。表示初態(tài)。 第

13、二式在第二式在p-v平面內(nèi)為一直線,通常稱為瑞平面內(nèi)為一直線,通常稱為瑞利線;利線; 第三式稱為許貢紐方程,它是第三式稱為許貢紐方程,它是p-v平面內(nèi)的平面內(nèi)的一條曲線,稱為許貢紐線。一切同初態(tài)(一條曲線,稱為許貢紐線。一切同初態(tài)(p0,v0)滿足守恒的狀態(tài)點(diǎn)都在這條線上。)滿足守恒的狀態(tài)點(diǎn)都在這條線上。20爆轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)uCJ理論理論 四個(gè)方程中共有五個(gè)未知量,要單值確定爆四個(gè)方程中共有五個(gè)未知量,要單值確定爆轟參量,還須找出第五個(gè)方程。轟參量,還須找出第五個(gè)方程。 為此,查普曼和儒蓋提出了著名的假設(shè)(稱為此,查普曼和儒蓋提出了著名的假設(shè)(稱為

14、為C-J假設(shè)或假設(shè)或C-J條件):穩(wěn)定爆轟產(chǎn)物的狀條件):穩(wěn)定爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)對應(yīng)于許貢紐線和瑞利線的切點(diǎn)態(tài)對應(yīng)于許貢紐線和瑞利線的切點(diǎn)J,即,即C-J點(diǎn)(圖點(diǎn)(圖1),該點(diǎn)的爆速),該點(diǎn)的爆速DJ是極小值,可以是極小值,可以證明,在證明,在J點(diǎn)有下面關(guān)系:點(diǎn)有下面關(guān)系: 21爆轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)uCJ理論理論 對實(shí)際爆轟系統(tǒng)應(yīng)用對實(shí)際爆轟系統(tǒng)應(yīng)用C-J理論進(jìn)行計(jì)算,一般都能得到同實(shí)理論進(jìn)行計(jì)算,一般都能得到同實(shí)驗(yàn)爆速值相近的結(jié)果,這表明驗(yàn)爆速值相近的結(jié)果,這表明 C-J理論基本正確。理論基本正確。 但是,對氣相爆轟進(jìn)行精密測量得到的爆轟壓強(qiáng)和密度值但是

15、,對氣相爆轟進(jìn)行精密測量得到的爆轟壓強(qiáng)和密度值,比用,比用C-J理論得到的值約低理論得到的值約低1015,對爆轟產(chǎn)物實(shí)測,對爆轟產(chǎn)物實(shí)測得到的馬赫數(shù)比計(jì)算的得到的馬赫數(shù)比計(jì)算的C-J值約高值約高1015。 這表明這表明C-J理論是一種理論是一種。22爆轟波爆轟波23C-J理論爆轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)uZND模型模型爆轟波具有雙層結(jié)構(gòu):前面一層是以超聲速推爆轟波具有雙層結(jié)構(gòu):前面一層是以超聲速推進(jìn)的激波,緊跟在后面的一層是化學(xué)反應(yīng)區(qū)。進(jìn)的激波,緊跟在后面的一層是化學(xué)反應(yīng)區(qū)。激波仍作為一個(gè)強(qiáng)間斷面,爆轟物質(zhì)被瞬時(shí)地激波仍作為一個(gè)強(qiáng)間斷面,爆轟物質(zhì)被瞬時(shí)地壓縮到

16、高溫高密度狀態(tài),接著開始化學(xué)反應(yīng),壓縮到高溫高密度狀態(tài),接著開始化學(xué)反應(yīng),直到反應(yīng)區(qū)末端達(dá)到直到反應(yīng)區(qū)末端達(dá)到C-J狀態(tài),在反應(yīng)區(qū)內(nèi)忽狀態(tài),在反應(yīng)區(qū)內(nèi)忽略粘性和熱傳導(dǎo)的影響。略粘性和熱傳導(dǎo)的影響。除初始物質(zhì)、爆轟產(chǎn)物和它們的混合物的狀態(tài)除初始物質(zhì)、爆轟產(chǎn)物和它們的混合物的狀態(tài)方程外,還必須建立反應(yīng)速率方程:方程外,還必須建立反應(yīng)速率方程: 24爆轟波爆轟波25爆轟波爆轟波u4.2.1 4.2.1 爆轟波的結(jié)構(gòu)爆轟波的結(jié)構(gòu)20世紀(jì)世紀(jì)20年代,年代,C.坎貝爾和坎貝爾和D.W.伍德黑德在研究氣體混伍德黑德在研究氣體混合物的爆轟特性時(shí),首先觀察到爆轟波中有周期性擾動合物的爆轟特性時(shí),首先觀察到爆轟

17、波中有周期性擾動存在。存在。近近20年的大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),氣體爆轟波陣面都具有復(fù)年的大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),氣體爆轟波陣面都具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。在扁平管中,可以觀察到在煙碳層平面雜的三維結(jié)構(gòu)。在扁平管中,可以觀察到在煙碳層平面上具有很規(guī)則的胞格結(jié)構(gòu)。在擴(kuò)展的球形爆轟中也觀察上具有很規(guī)則的胞格結(jié)構(gòu)。在擴(kuò)展的球形爆轟中也觀察到類似的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明,除了沿爆轟波傳播方向前進(jìn)到類似的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明,除了沿爆轟波傳播方向前進(jìn)的波外,還有橫向的弱激波在作周期性的脈動。圖的波外,還有橫向的弱激波在作周期性的脈動。圖3為為爆轟波陣面結(jié)構(gòu)。爆轟波陣面結(jié)構(gòu)。 根據(jù)迄今為止的大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以設(shè)想,爆轟波根據(jù)迄今為止

18、的大量的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果可以設(shè)想,爆轟波一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結(jié)構(gòu)。一般具有不定常、非平面和多波頭的胞格結(jié)構(gòu)。C-J狀狀態(tài)只是一個(gè)宏觀熱力學(xué)的平均狀態(tài),它是大量微觀或準(zhǔn)態(tài)只是一個(gè)宏觀熱力學(xué)的平均狀態(tài),它是大量微觀或準(zhǔn)微觀狀態(tài)的綜合表現(xiàn)。微觀狀態(tài)的綜合表現(xiàn)。26爆轟波爆轟波27爆轟波爆轟波u4.2.2 4.2.2 爆轟波的速度爆轟波的速度u燃燒時(shí)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0-410m/s的量級,小于燃燒物料中的聲速;而爆轟波傳播速度則在103104 m/s的量級,大于物料中的聲速。 化學(xué)計(jì)量的化學(xué)計(jì)量的甲烷甲烷、氧混合物在常壓下的燃燒速度為、氧混合物在常壓下的燃燒速度為10m/s,而爆轟速度則約

19、為而爆轟速度則約為2820 m/s 。 計(jì)算:計(jì)算:C-J點(diǎn)點(diǎn)28爆轟波爆轟波29爆轟波爆轟波30爆轟波爆轟波u4.2.2 4.2.2 爆轟波的速度爆轟波的速度 爆轟測試常用的儀器有高速照相機(jī)、爆轟測試常用的儀器有高速照相機(jī)、 X射線閃光照相機(jī)、高分辨射線閃光照相機(jī)、高分辨的時(shí)間測定儀和脈沖示波器等。目前已有:的時(shí)間測定儀和脈沖示波器等。目前已有: 畫幅頻率達(dá)畫幅頻率達(dá)2107幅秒、掃描速度為幅秒、掃描速度為2060毫米微秒、象質(zhì)毫米微秒、象質(zhì)分辨率達(dá)分辨率達(dá)25線毫米的轉(zhuǎn)鏡式高速照相機(jī)線毫米的轉(zhuǎn)鏡式高速照相機(jī); 電壓高達(dá)電壓高達(dá)36兆伏、閃光時(shí)間為兆伏、閃光時(shí)間為20納秒的納秒的X射線閃光照

20、相機(jī);射線閃光照相機(jī); 時(shí)間分辨率為納秒的多通道時(shí)間測定儀;時(shí)間分辨率為納秒的多通道時(shí)間測定儀; 可以測量可以測量1030吉帕動態(tài)壓力、頻率響應(yīng)為吉帕動態(tài)壓力、頻率響應(yīng)為 1兆赫以上的動態(tài)測兆赫以上的動態(tài)測量元件。此外,激光干涉測速、激光全息技術(shù)和脈沖激光光譜技術(shù)量元件。此外,激光干涉測速、激光全息技術(shù)和脈沖激光光譜技術(shù)等也已逐漸應(yīng)用于爆轟的測試工作。等也已逐漸應(yīng)用于爆轟的測試工作。31爆轟波爆轟波可燃混合氣體的爆炸效應(yīng)可燃混合氣體的爆炸效應(yīng)u4.3 4.3 可燃混合氣體的爆炸效應(yīng)可燃混合氣體的爆炸效應(yīng) 宏觀表現(xiàn):對周圍物體的直接破壞作用宏觀表現(xiàn):對周圍物體的直接破壞作用 強(qiáng)弱:取決于爆炸后產(chǎn)生的沖擊波壓力強(qiáng)弱:取決于爆炸后產(chǎn)生的沖擊波壓力 后面的壓縮波的波速都將比前面的壓縮波后面的壓縮波的波速都將比前面的壓縮波的傳播速度快的傳播速度快,不難想象,經(jīng)過一段時(shí)間,不難想象,經(jīng)過一段時(shí)間后,這些壓縮波將會疊加在一起,波的能后,這些壓縮波將會疊加在一起,波的能量也將迅速增大,即形成所謂的量也將迅速增大,即形成所謂的 “激波激波” 。激波前后氣體的參數(shù)(壓力、溫度、。激波前后氣體的參數(shù)(壓力、溫度、密度等)發(fā)生了顯著的變化。密度等)發(fā)生了顯著的變化。33可燃混合氣體的爆炸效應(yīng)可

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