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计算流体动力学那点事ZZ

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发表于 2010-4-3 09:39:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
(1) Jameson的故事
9 ?. q+ Z; G) T. m/ ^Jameson 是当今CFD届的超级大牛。偶的超级偶像哦。Jameson是个英国人,出生在军人世
/ ~( D( C0 U& ]8 i! g家。从小随老爹驻守印度。于是长大了也抗起枪到海外保卫日不落帝国,军衔是Second L
1 E/ [/ O. _/ z, v( N0 Fieutenant。无奈“日不落”已落,皇家陆军已经不需要他了。大概有什么立功表现把,退
3 J/ F+ p! U% V6 K( r) d0 j: c役后就直接进了剑桥大学。在那里拿到博士学位。辗转间从英国来到了美国,从工厂又到" F: r3 o% R; g0 W) a
了学校。成了Princeton的教授。在那里提出了著名的中心差分格式和有限体积法。就是在
0 o( g1 X7 F9 q1 k这里,发表了他那篇著名的中心差分离散的有限体积法。中心差分格式,大家都知道,是. u# l2 D; Z+ P, o3 P" H* u2 t! j
二阶,但是稳定范围特别小,Pe不能超过2,于是就得加人工粘性(一听这名字,数学家就" \0 ]  s/ @3 Z, W8 G
倔嘴巴,不科学嘛),这是大学生都知道的事,怎么加就是学问了。Jameson用二阶项做背
+ ^1 |* }  v6 m0 {& m0 s, a景粘性,用四阶项抑制激波振荡(也亏他想得出来),配合他提出的有限体积法,获得了" E) }/ R  H5 K* ^+ ]+ {% W
极大的成功,很快风靡世界,工程界几乎无一例外在使用他的方法,原因很简单,他的方
' {3 R! O0 t  [6 l% P法乐百氏,而且又有相当精度。从此大行于市,座上了P大的航空系系主任,也确立了CFD% p, @% u( N3 V8 s) ^
界第一大牛人的地位。
: m# f! h( ~- r发文章有个特点,喜欢发在小会议上或者烂杂志上,反正是SCI检索不到地方。包括后来关
; N8 V! ?& D% d& T4 W于非结构网格,多重网格等等经典的开创性文章,都是这样。(如果按照清华的唯SCI论的
3 H4 m) {6 m3 [) D7 V0 d3 n( W+ F7 x评判标准,我估计在清华最多只能给他评一个副教授当当。)牛牛的人总是遭人忌妒,哪
$ S, G  c" g- [- y( T里都这样。看着Jameson的有限体积方法这么受欢迎,有些人就红眼了。于是说,有限体积
2 F; K% t( p  O+ \; T% b  B方法不错,可惜只适合于定常问题计算,非定常计算就不怎么样嘛。
  y' ~1 `- n% H$ GJameson那里能容忍别人对他的得意之做胡说。于是,灵机一动,想出了一个双时间尺度的( l' f+ u/ ]. G2 }$ G- H; l, C0 k
方法,引进一个非物理时间,把非定常问题变成了一个定常问题计算,还真好使,又风靡
$ f* P. |# s& Y3 _  u- F! k! Y) t世界,从此天下太平。97年,Jameson年龄到了,就从P大退休了,结果又被聘请到Standf
* A, I+ {) h) Eord大学当Thomas V. Jones Professor搞起了湍流来。前不久偶导师见他回来,对欧们边' ~9 J* u3 L( @
摇头边说,“几年不见,老得快不行了”,言下之意,我们如果想多活几年,不要去搞什
9 A. K  d" r  K: x; |么湍流。
; |& q, t) E! J# U; S# Z4 g(2) Steven A. Orszag的故事
, N2 R/ V4 a0 ^! \! s6 s  F4 XSteven A. Orszag是一个天才级别的人物啦。在直接数值模拟,谱方法,湍流模型等等许
+ _/ A0 s+ r4 h. G7 x; s* W多方面都有开创性的贡献。天才嘛,总是有缺陷的,不是生活不能自理,就是不懂得处理
; x6 q$ Q% [1 G  c% a0 ~人际关系。前者还好办,只是lp不舒服,后者嘛,让同事和同行不舒服,可麻烦就大了。
# t/ d- |/ A# A不幸的是,Orszag属于后者。对于他的恃才傲物,有人早就恨得牙根痒痒,报复的机会终$ a; i) H: y7 X$ j
于来了。' v" q3 ]% T1 P" E
9 a/ B8 |6 c1 s6 |; i/ w+ X
三十年前,湍流模型的先驱们,是通过数值试验,再连懵带猜的确定下了双方程湍流模型0 g3 W, a# t+ _7 D1 K$ f
的参数。20年前,Orszag突发奇想,能否用RNG(重整化群理论)从理论上推导这些参数呢
! @/ [/ O. {2 R$ V/ T?RNG理论在相变上取得了很大的成功,发明者也在81年获得了 Nobel奖。牛人就是牛人很. z2 P% O- B+ O6 d6 I* u2 _  d! R- C
快居然真从理论上推出了这些参数。这下湍流模型界可炸开了锅,这岂不是要砸掉很多人
6 ?2 i. L, j) D+ j1 ?. i的饭碗?这不等于说那些老家伙几十年前的工作一钱不值么?这帮大学霸可不是省油的灯
6 v2 z% e/ `/ d& l9 K1 w1 C% u% Z& ?。环顾地球之大,Orszag居然找不到一本杂志愿意接受他这篇文章。Orszag这个郁闷呀,
9 o1 G. p5 ]7 H; Q$ [& Y- n这个生气呀,好歹庵也是绝代高手嘛,昨这么不给面子呢?他一气之下干脆自己扛杆旗,: s2 l, k6 @% _$ Z
办份杂志,自己当主编,自己出版,看谁说闲话。1986年,《Journal of Scientific Co
. ~% B! N% \' r5 J1 xmputing》终于开张了。第一篇文章就是“Renormalization Group nalysis of Turbulen0 K% @. c' ?; C# k* |. S
ce: I Basic Theory”。这篇文章很快获得了大家的广泛认同。但是对RNG的攻击并没有到
* K9 Q& Z2 [5 M此为止。偶看到最搞笑的是一个牛牛(不想提他的名字了)在AIAA J. 上的一篇文章。当( `# |. X$ s8 k, E
然是吹自己的模型计算比标准双方程模型多么多么的好。都已经比较结束了,他还觉得不
# Q+ n) N! T3 @0 _; C& E: P6 |过瘾,话锋一转,把RNG模型胡算一把,然后一桶狂批,还煞有介事的分析为啥算不好。其
4 B& h# e3 B( N9 P  c- v! R实我倒觉得,既然RNG能够从理论上推导出他们当年胡乱搞出来的参数,不正是对他们工作& n# _( G7 O% \% K- a
的证明么?能够从完全黑暗的世界寻找到这些参数,这除了天才,还能说什么呢?
. _' H! R) s* `7 d  P  \. E
$ r. t+ r+ }  n9 G8 y( Q(3) Godunov的故事
2 O7 y9 V3 x3 f; Z$ ?" xGodunov大家都晓得吧,迎风类型格式的开山鼻祖。二十世纪CFD的数值方法基本上是沿着/ L0 A- C/ |7 R' D3 L
他老人家开创的Godunov类型格式的方向发展。连如今大姥级的Roe,van Leer都要发文章
6 a, j6 `( q1 F) F* [pmp,毕竟他们都是靠着老大发家的嘛。他座上老大宝座的屠龙刀-Godunov格式,实际上
/ A, p( Y* h1 U9 b是1954年他25岁时候的博士论文。老板上课时候曾经讲,当时不知道为啥他得罪了苏维埃
+ n' g3 U; C) {( V8 l9 K  K政府要砍他的头,于是他一着急,弄出了这把屠龙宝刀,拣回了小命(不过这个传闻,我/ ~. K6 s; I/ }7 [% r3 {2 b
没有找到相关的文献得以证实,好在我相信偶老板读的书比我多,二来嘛本来就是八卦系' |9 R) C- F6 f# `: @
列也无所谓了)。 $ R% Y2 s7 v  ~5 C
我现在就来讲讲有根有据的东西,老大是怎么弄出这把屠龙刀的。1954年春天,苏联的第
6 v, d7 W1 i8 K5 Z一台电子计算机“Strela”就将送到老大当时所在的单位Keldish Institute of athemat( X- F- m5 u* F% v
ics,上级要求他们弄几个格式来算一算。当时一个叫Zhukov的人就弄出了一个东西。这家8 _0 n2 j4 {% o/ h0 D# q% P( n
伙也算是个牛人了,弄出来的这个东西,同1年后 P.D Lax的CFD奠基性名著中提出的东西# w9 K: S2 J* c8 @  p" I4 N
是完全一样的。可惜呢,这家伙数学不好,他是连蒙带猜弄出来的,尤其是为了自圆其说
6 F- g& L; ]0 U的那几个假设,现在回过头来看根本就是错误的,是推不出这个结果的。当时为了弥合这
, C0 E  t0 K  \; X9 d& O个问题,就请来了Godunov看能不能解决这个问题。结果一发不可收拾,居然就借此搞出了
: ], W5 s" ~* M4 _( V& U) N Godunov格式。后来老大回忆刀,幸好当时他没有看到Lax的文章,要是看了,压根就不会# F; o1 A: V: L5 M$ B- R
有Godunov格式了。(If I would have read Lax’s paper a year earlier, “Godunov
! x5 y2 \8 U% j7 {' s’s Scheme” would never have been created.)这么重大的贡献得发文章让大家都晓得
, N. u; j" w1 E3 F* a$ U1 y  L才行呀。老大于是一毕业就四处投杂志,他先投了一家叫Applied Mathematics and Mech
( A  p6 |. l& g- w! ?  [anics的杂志,杂志居然把他据了,理由是,老大的工作是一个纯粹的数学工作,没有做任6 C/ L& T7 x# m
何关于力学的研究。老大一想也对,他本来就是数学家嘛,于是他改投一个纯数学的杂志. K6 E# _4 T: x" f
,谁知道,没过多久,又被退稿了,这次的理由是,老大的工作是一个纯力学的研究,没
. w0 Y3 o( Z* H) P有任何关于数学的内容。老大当场晕倒。后来老大又投了几家还是不中,这下没有办法了
4 Q) B) D1 a1 ?, V,老大只好找后门,托他的老板Petrovskii了,正好老板是Mathematicheskii Sbornik杂
- F* Z( h' D  X) A7 u" `志的编辑,终于在1959年,毕业四年后这篇文章发表在了这个杂志。
+ A' G- A' C1 m  u, t& l% _(4) Van Leer的故事 , C, v% S/ z2 u% p' d
Van Leer 原先同Roe关系非常的好。后来Roe发表了著名的后来用他名字命名的Roe格式,8 N% u0 ?( p+ n, b* o
Van Leer就有点座不住了。因为他一直相信他比Roe高明那么一点点。于是他决心超过Roe
$ e# x2 ]7 C4 {。当时迎风格式在应用上有两个发展方向,一个是Roe格式为代表的通量差分分裂类型,令
" U+ r# d. L: E! G0 K一个就是矢通量差分类型,典型代表就是Steger-Warming格式。很快van Leer找到了突破. ]0 s- k; t2 T8 K
口,他注意到Steger-Warming格式有个不大不小的缺陷,通量分裂是不可微的,这在计算$ q/ n/ }. j0 z. J% b
激波时候,有可能发生过冲现象。于是 van Leer对此做了一番改造,提出了一个满足可微
$ ~2 V5 _' |: y! m8 C2 i$ ~0 ~# `条件的分裂。van Leer兴高采烈地投到杂志社,然而令他失望的是,杂志社把他给拒绝了  _& D3 M7 I+ t' l& `1 z
。他可受不了了,于是自己掏钱,飞到西伯利亚,向Godunov求教。 Godunov看过后大加赞
5 ~8 ]3 F& r+ w  U; N$ T赏。这下可乐坏van Leer。既然老大首肯了,谁还敢说不字,这篇文章顺利出版。后来这
* O) C0 l1 _' }! @个格式就用van Leer本人的名字命名并流行起来,终于,他还是跟Roe平起平坐了。
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 楼主| 发表于 2010-4-3 09:42:47 | 显示全部楼层
(5) Batchelor的故事 6 D* q6 M/ Y% K& J% a
Batchelor 是GI Taylor之后,剑桥学派的领袖。不过他其实并不是英国人,而是澳大利亚) H, w- C3 T" G, T; H( Q5 s' y5 u
人。他从小在墨尔本长大。第二次世界大战其间,在从事了一个航空相关的课题研究中,: ?% b/ a4 H7 z; \
他对湍流研究产生了浓厚的兴趣,尤其是GI Taylor三十年代关于湍流研究的工作。于是他
7 p# z, |3 Q$ s! w. }. U  W就给Taylor写信,想做他的research student。Taylor很快同意了。Batchelor是一个很跋
; T. S+ M7 b4 ^/ D( k% a扈的人,说话颇有些像黑社会的老大的风范。他有一个死党和跟屁虫。他非常想让这个跟
  y( [- v# H' M( x# X7 m, y- ?5 w屁虫跟他一块到英国去研究湍流,省得他一个人寂寞。这个死党呢,大学学的是跟湍流八
' u) C0 u: k% [" W, B竿子打不着的核物理。这并不要紧,Batchelor充分发挥了他黑社会老大般的威严对他说,
+ ~/ ]# r/ k( i  q“跟我到英国找Taylor研究湍流去吧!”这个铁杆兄弟也不含糊,立刻说,好,跟老大走
1 T, S  t* S  ?/ x( D% w1 W& D。不过走前,你回答我两个问题:谁是 G.I. Taylor? 湍流是什么玩艺?前一个问题好回
% {7 y( o9 [. R/ R; l/ h) r答,后一个问题,Batchelor究竟是怎么回答的,是威逼利诱,还是晓之以理动之以情说服
' Z) W: P4 H* D3 |, E- N4 K的,大家一直为这个问题争论了几十年。总之,最后两人都去了英国。见了Taylor呢,两
4 Z7 p: x2 V9 I4 v# h/ s人都失望了,原来Taylor已经不搞湍流了,全力搞什么水下爆炸之类的跟军事有关的课题  \0 `7 n( q+ h1 M  R1 p
(估计这个来钱)。好在大师就是大师,让这两个年轻人自编自导自己去折腾,在旁边指
7 ]$ P3 q  @6 A: m& ~; S; u( H导指导。最后两人都成为大师。Batchelor的这个小兄弟究竟是谁呢?呵呵,就是大名鼎鼎
/ A8 ~" A; Y. L的AA Townsend。这个故事再次说明跟好一个老大是多么重要亚。
1 Y3 S7 y& i3 cBatchelor曾经一度以为可以在他手上终结湍流问题。所以那段时间,在湍流研究上特别努5 w7 S6 X, l' n5 @# O2 P
力,结果当然是大失所望。Batchelor被湍流折磨得心力憔悴,50年代后期以后逐渐把精力" s$ ]! Y, u% v' G
从科研转移到了写书,创办应用数学力学系和JFM杂志上来。前面文章说了,为了多活几年+ ^$ _6 J4 N/ _. e+ _$ |
不要搞湍流,这个故事则告诉我们,为了不郁闷,生活充满阳光,也不要搞湍流。另一个
: ^8 c1 K1 m: `/ y/ Y被湍流折磨死掉的大牛就是量子力学里面的Heisenberg。年轻的时候,靠着他的天才禀赋' T/ l9 ~: E9 v; N
,胡乱猜了一个湍流解获得了博士学位,后半生被湍流研究折磨而死,临终时候都念念不4 f- K9 L/ e# w. {/ |4 e( L5 M
忘。用《大话西游》里面的话来说应该是怎么来着?我猜中了这个开头,可是却猜不到这7 H4 G# J6 ~! t2 I
个结局。
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. n8 s5 h5 u& Q* L" Q4 z- @! y2 ~(6) Von Neumann的故事
" I& Y+ \, d  ^- }& \7 oVon Neumann是天才里面的天才。据说他6岁能心算8位数除法,8岁时已掌握了微积分,12
# p: Q( w* q% Y. l6 ?. g( ~岁时能读波莱尔的著作《函数论》……。有一次,冯·诺伊曼对他的朋友说:\"我能背诵! K" z. d& v# w: W) Y" D# U2 X2 d' N
《双城记》\"。人家就挑了几章作试验,果然他-一背诵如流。他对于圆周率π的小数位数# L) f& @3 |% w+ i4 L/ Q0 s
,自然对数的底e的数值以及多位数的平方数和立方数……四十年代的时候,Von Neumann3 }2 @% o8 Y; p* x9 `$ I
在曼哈顿计划里面主要负责数值计算工作,他的另外两个同事就是费米和费曼。牛人在一+ a  D1 d, j& J9 y3 A+ R
起当然就喜欢比一比。需要做一个复杂的数值计算时,他们三人立即一跃而起。费米呢,: _) k5 ?7 Z! S5 x- K& T7 \; ?. S  F
上了点年纪,就拉计算尺计算,费曼呢,年轻人喜欢接受新事物,就用台式计算机,而冯$ b$ ~( w) r1 j: p7 ^' M
·诺伊曼啥都不用,总是用心算。可是冯·诺伊曼往往第一个先算出来,当然这三位杰出- R: E/ P0 }$ A1 a  Z
学者所得出的最后答数总是非常接近的。(好啦,好啦,俺实在不愿继续写他的非凡事迹4 e" F! ~4 j4 t# g
了,越写越自卑,越写越郁闷。)
7 [/ o: ~2 u& Y$ H也就是在这段时间,Von Neumann提出了CFD上面非常有名的Neumann稳定性分析。这个现在
& _( u+ t& q1 D; G9 f+ J/ T本科生都晓得的东西,在当时被美国军方列为高度军事机密,这一保密就是十年。俺每次
' s3 D* }0 a$ ^% W+ l! ?读到这段的时候,常常想起哈里森.福特的《夺宝奇兵》的最后一个镜头。【说到这里,顺5 l" ]& [" n' V* w5 t" s! m7 H
便扯远一点,很多人,包括数学系人都认为Neumann稳定性分析为无条件稳定的格式,就意
8 A& f7 g! U+ |' z- Z味着计算时间步长选取是不受限制的,这个认识是不正确的。Neumann稳定只保证格式的对( C# k  d2 ~$ N$ G' U% h$ j
幅度是保真的,但是并不保证是保相位的,相位的误差的累积也足以把一个结果改得面目
- u- ]) p& O0 p% [全非】 % x& Q' t5 L/ O  u( k
前面讲过了一个让同事不爽的天才,而Von Neumann则属于让lp不爽的天才。某天lp让他上
, @6 Q2 i. o$ M' ~0 T班途中顺便仍包垃圾,结果中午回来的时候,他又把垃圾带回来了,而他的公文包被他当
) O$ ]% ]9 ~  Z7 ^* m7 w垃圾扔了。另外一次,lp回来后,Von Neumann问她,我的水杯在那里呢,我找了一下午都
+ B$ j4 b" u* L. b1 z% ]! s没有找到。Lp大叫,天啦,我们在这个房子里面生活了十五年!天才的才气往往同寿命成  d% h& d+ D* q" U
反比,Von Neumann也不例外,刚过50多点点就去世了。应了俺本科上铺曾经爱说得一句话
5 n9 ~" q5 H: p0 }7 J,天才是两头燃烧的蜡烛,明亮,但不会长久。
' H8 \! a1 {9 {5 j: W1 C  d, ^2 Y8 N2 B/ G0 g& t! S+ Z
(7) Kuchemann的故事
/ A' j  e% ]! `0 C+ ]今天要讲的是关于Kuchemann的故事。一看这名字就知道是德国人,1930年19岁的他进入了
) Z/ b6 g4 Q6 _, J$ k3 S+ J! B当时世界上最NB的大学Goettingen大学。起初他不是学流体的,而是理论物理的,他的导0 p' y3 D6 p0 t2 u, `, g& i
师就大牛M. Born。如果希特勒不上台,也许他会沿着理论物理学的道路走下去。然而193
$ _8 B( k9 w5 T  H( g& }: @$ `3年希特勒上台,推行歧视犹太人政策改变了这一切,Goettingen大学里面同犹太人沾亲带
! e* k" B0 k5 v# C; ^+ E5 {故的人纷纷远走他乡,这也包括了Born。为此Kuchemann郁闷坏了,因为他找不到一个他看$ Z$ F9 T, j# W' z/ H: {6 Z
得上眼的大师级的导师。于是他翻开 G大的研究生招生手册,翻来翻去,终于找到了一个
1 U! L/ `3 G$ [  k没有走的大牛——近代流体力学大师Prandtl。于是他就拜Prandtl为师,改学空气动力学( S: Z( e4 p# t7 S4 l7 y
起来。在Prandtl和Tollmien(发现T-S波的那个大牛)的指导下,25岁就获得了博士学位: }1 _7 x3 f8 I* t

% \& m. C3 |* }# W8 I, R! _$ v" d& m+ W欧一直怀疑Kuchemann是个种族主义者,即使不是,也肯定是欧洲至上主义者。这家伙特别; T0 P, f/ k- G" l# m0 N3 h
瞧不起美国这个暴发户。二战后随着美国的崛起和欧洲的衰落,欧洲科学家纷纷踏上移民4 ]( ?* _- f# I9 q
美国的之路,美国屡次三番的邀请他去,他就是不去,他说他是欧洲人,他要呆在欧洲,
7 Z  e- q4 H9 @7 H3 J" C于是他宁可去了英国,也不去美国。他在英国一直呆到1976年去世。
$ I  S+ _: l( A& i: w他老人家最大的贡献是两个,一个是实用的脱体涡流型,在他之前人们都认为机翼只能采2 r% ]" S/ v; `
用附着流型,涡分离是必须避免的。有了他的理论,现在高速飞行很常用的前缘三维分离+ u. r8 Y; z% r, n6 v9 U* h: [6 M
涡产生涡升力的细长机翼才得以实现(可笑的是,中国的气动教科书直到现在还在以附着. _, F* L, U. `& J1 x8 t
流型为例,用白努力方程给学生解释升力产生的原因)。他的第二个重大贡献就是压缩波
  G& V8 v; ?8 F, f产生升力的高超声速流型,也就是现在称为乘波体的飞行器。可惜在他有生之年没有能够
$ ?( O# @2 g4 B+ L- m/ q- @+ E- d" r看到这个流型的应用。直到今年3月27日,美国采用他的乘波体方案以超燃冲压发动机为动
1 Z+ K: ~' h2 ~3 W: E% I力的的X-43A飞行成功,实现了7马赫数的w稳定飞行,一举打破了SR71在40年前创下的3./ N# E0 H7 X4 W
3马赫的飞行记录。
+ \( e3 ~! N& p
- u6 O% u% N- h0 S) B, O他老人家还说过一句,让所有从事CFD工作的人们需要永远永远铭记的话:Z每一种具体的
! Q" B) J* J8 h理论或数值方法都是暂时的,而对流动本质的理解却是永恒的。
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发表于 2010-4-3 13:39:44 | 显示全部楼层
对这方面不了解,但喜欢听故事
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发表于 2010-4-3 18:23:44 | 显示全部楼层
阿拉佩服几种人,首推玩流动的,一般是数学天才,
0 T9 n6 d* R" V% G有能力,当然无须他人认可
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发表于 2010-4-3 21:17:28 | 显示全部楼层
先mark,慢慢看( m5 y0 X4 P( [" s
欠缺了点机械大牛传奇事迹的熏陶啊。整天就是什么三枪,刺陵之流……
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发表于 2010-4-3 21:57:08 | 显示全部楼层
深深感动   都是牛人啊
/ \  b! B( V+ i- g怎么中国没有呢
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发表于 2010-4-5 16:07:41 | 显示全部楼层
这都是神造的完美品种。无法复制。
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发表于 2010-4-5 18:43:53 | 显示全部楼层
神话中的人物,感觉很遥远!!哈哈哈哈
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