罗时钧先生学术生涯及辉煌成就

西工大学术委员会 飞机设计视界 2023-01-10 10:21 发表于山东

罗时钧( 1923—) ，江西南昌人，空气动力学家、航空教育家。1945 年获重庆中央大学航空工程学士学位，1948 年获美国明尼苏达大学航空工程硕士学位，1951 年获美国加州理工学院航空与数学博士学位，导师为钱学森教授。1952 年任哈尔滨军事工程学院教员、教授和空气动力学教授会副主任。1970 年因迁并到西安任西北工业大学教授。1979-1984年任西北工业大学副校长和空气动力学研究室主任。他编写空气动力学讲义十余种，发表学术论文百余篇，指导硕士20 名，博士12 名，博士后2 名。因教学优秀1953 年获五一节天安门游行观礼。因与航空、航天工业部合作研究的跨音速空气动力数值计算成果，获1977 年国防科技成就展览会展出，和出席1978 年全国科学大会，并获得“在我国科学技术工作中作出重大贡献的先进工作者和先进集体”奖状。先后获航空航天工业部重大科研成果奖多项和有突出贡献专家称号( 1992) 。获全国劳动模范称号( 1988) 。他发表的许多学术论文被美国空军外国技术局和美国宇航研究院( NASA) 译成英文发表。他被收入中国大百科全书航空航天卷( 1985) ，美国科学与工程名人录( 1992-1993) ，当代中国的国防科技事业( 1992) 和中国科技人才大辞典( 1995) 。1994 年退休，获资深教授称号。退休后与刘锋教授( 美国加州大学尔湾分校机械与宇航工程系教授和西北工业大学长江学者讲座教授) 合作研究，任美国加州大学尔湾分校研究员( 2002 年至今) 。

罗时钧，1923 年4 月1 日出生于江西南昌，其父罗静远从事职业教育，培养他用功读书，老实做人。1937 年目睹日机俯冲轰炸南昌，毫无抵抗，立志学航空。中学搬迁到赣南穷乡僻壤，他组织同学抗日宣传，师从吴自强校长和黄正中教授等。1941 年参加全省高中毕业会考，取得优秀成绩，获保送进入重庆中央大学，1945 年毕业留校任教。1946 年参加全国留学考试，1947 年国家公派入美国明尼苏达大学航空工程系留学，1948 年获航空工程硕士学位，同年以优秀成绩获准入美国加州理工学院，师从钱学森教授，成为他的第一个博士研究生。他参加学习钱学森教授讲授的物理力学课程，并做助教。在钱学森教授的建议和指导下，研究“容克”飞机因尾翼抖振失事的空气动力机理。他深刻领悟钱学森教授研究理论流体力学的方法，顺利完成高水平的博士学位论文，深得钱学森教授的器重。钱学森教授原计划指导他做博士后研究，进一步提高他独立工作的能力，后因时局变化，当时未能实现。在哈尔滨军事工程学院工作时，在陈赓院长等的重视和关怀下，他在教学相长中顺利地完成了他的博士后研究。

罗时钧热爱教学，热爱学生。自从1952 年到哈尔滨军事工程学院以后，他几乎每个学期都承担讲课任务，课后他都会去给学生答疑。备课非常认真，对课堂教学的要求是: 思路清晰，语言精练，概念明确，有理有据，板书整洁，目的是赢得学生对讲课内容的倾慕与向往。为此他往往备课到深夜，经常放弃节假日的休息和谢绝学校安排的外地疗养。学校多次组织教师观摩他的课堂教学，教学效果得到广大师生的称赞。有一次，西北工业大学校领导破例批准一个学生班的要求，调他去替换原定的任课教师。

1956年他在哈尔滨军事工程学院开始指导研究生，针对不同的学生他因材施教，最大可能地发挥每个学生的长处。对一些自主创新能力较强的学生，仅仅指定研究方向，让学生自选具体研究题目。对于有钻研精神的学生，指定其研究题目和内容，让学生能够集中精力深入地就一些难题进行深入的研究。研究生的研究课题主要来自生产与科研实践，包括当时的热门研究领域。他提倡将空气动力学的理论成果与数值计算相结合。例如，应用跨音速面积律简化飞机零升力时的跨音速波阻力的数值计算，应用细长体理论简化机翼-机身-挂架-外挂物组合体的气动干扰数值计算等。

在注重研究生基础知识学习的同时，还特别重视培养研究生的独立研究能力。给每个研究生选择不同的研究课题，并安排个别答疑指导。经常组织研究生开展讨论并进行专题报告，鼓励学生对别人的研究工作提意见，集思广益。鼓励研究生对他的指导提出不同见解，在与研究生的讨论中也会争得面红耳赤。为了提高学生的学术水平，他提倡研究生积极参加国内、外的学术交流会并发表学术论文。

对学生的研究工作他抓得很紧，当学生遇到问题时，经常起大早到学生宿舍，敲门找学生一起讨论。“文化大革命”中受过伤的身体，有时他不得不躺在病床上，就是在种情况下，仍然坚持为研究生批改论文，与学生在病床前一起研究。他不仅关心研究生的业务进步，而且帮助他们在思想上提高。他经常讲述钱学森院士勤奋工作学习的历程，勉励他们向钱学森前辈学习。

为了西北工业大学流体力学学科发展的需要，他非常重视人才队伍的建设，尤其重视年轻教师的培养。1979 年他利用出国考察的机会，推荐多名年轻教师赴德国宇航研究院和瑞典航空研究院进修。当时国外有单位邀请他去工作访问，他都谢绝了，因为他认为国内的工作更需要他，直到1986 年才出国访问。

(一) 超音速空气动力计算

( 1) 1958年罗时钧应沈阳飞机制造厂飞机设计室的要求，根据线化理论推导机翼与机身组合体的超音速空气动力计算公式，用于我国自行设计的第一架超音速飞机的气动设计。后来被顾诵芬院士写入“空气动力学对飞机研制的支持”( 1987) 。

( 2) 1961年他根据小扰动理论，推导超音速旋转体与机翼当升力不为零时的波阻力公式。在机翼当升力不为零时的波阻力公式的推导中，避免了取发散积分的有限大部分的运算( Heaslet-Lomax-Spreiter，1950) 。并建立细长旋转体和小展弦比机翼的最佳空气动力( 即波阻力与涡阻力最小) 条件。

( 3) 1994年在美国南加州大学访问期间，他创建了超音速机翼的二级近似小扰动定常速势方程的理论解。将Heaslet-Spreiter 的积分方程的形成方法( 1956) 推广到三元超音速二级近似小扰动速势方程，导出半解析的显式表达式理论解，在激波处满足二级近似的Ｒankine-Hugoniot 激波关系式。在二元情形下导出全解析的显式表达式理论解，与已知的二元超音速二级近似小扰动速势方程的解析解( Van Dyke，M． D．1952) 重合。算例表明，二级近似理论比线化理论更接近精确解以及欧拉方程数值计算结果，是对已经有的线化小扰动理论的改进。

(二) 跨音速空气动力数值计算

从1974 年开始，罗时钧承接全国气动规划中的飞行器跨音速空气动力计算课题。他倡议采用混合差分法数值求解跨音速定常小扰动非线性速势方程，得到航空、航天工业部有关厂、所的支持。从1974 年开始连续4 年与航空、航天工业部的合作者利用上海华东计算机技术研究所研制的655 计算机，进行跨音速空气动力数值计算研究。前二年与航空工业部西安计算机技术研究所、阎良飞机设计研究所和阎良飞机试飞研究所的研究人员合作研究单独机翼和单独机身的跨音速压力分布计算方法，后二年航空、航天工业部有关厂、所的研究人员携带各自的飞行器几何数据参加研究组合体的跨音速压力分布数值计算方法。由于当时计算机条件的限制，为了加快研究项目的进度，有几个春节他都在655 计算机房里工作。

罗时钧创新地建立了跨音速纵向大扰动、横向小扰动定常速势方程，以及相应的压力系数公式和边界条件处理方法。纵向大扰动速势方程消除经典的跨音速小扰动速势方程( Von Karman，Th． 1947) 在气流中的驻点的奇性，能应用于物面的驻点附近和进气道的内部流场的计算。他证明跨音速纵向大扰动速势方程的压力系数公式能够给出精确的临界压力。在横向小扰动和弱激波的条件下，Ｒankine-Hugoniot 激波关系式与跨音速纵向大扰动速势方程的差分式重合，因为跨音速纵向大扰动速势方程采用了横向小扰动假设，仍能用Murman-Cole 混合差分法( 1971) 数值求解。

在物面和涡面的网格点处，如何将边界条件嵌入速势差分方程，他提出三种处理方法: 方向导数方法、解析延拓方法和细长体理论方法，使得能够采用平行于直角坐标的网格计算绕复杂组合体的流动。这三种边界条件的处理方法各有其优、缺点，例如: 方向导数方法比较精确，但比较烦琐; 解析延拓方法比较简易，但精确度比较差。细长体理论方法利用细长体理论的解析解在物面和网格点之间实现边界条件和压力的转移。算例表明，这三种边界条件的处理方法，不仅适用于小扰动速势方程，而且适用于全速势方程。

对于线松弛迭代方法和近似因子分解迭代方法AF-2 的收敛性和稳定性，他做了线化分析，用于指导迭代解法参数的选择。跨音速纵向大扰动速势方程的解比经典的跨音速小扰动速势方程的解更接近全速势方程的解，前者所需计算机时比后者所需计算机时增加不多。跨音速纵向大扰动、横向小扰动定常速势方程数值计算的主要成果包括:

( 1)与西北工业大学沈慧俐教授和航天工业部第三研究院第31 研究所董松野研究员等合作，提出纵向与横向交替线松弛迭代方法和分区线松弛迭代方法，完成皮托式和有中心体的进气道内、外跨音速流的数值计算。计算结果与风洞实验结果符合。

( 2)根据跨音速面积律的理论结果，将复杂组合体简化为旋转体，数值计算零升力时的跨音速波阻力，完成多种飞机的零升力时的跨音速波阻力计算。计算结果与风洞实验结果相一致。

( 3)提出跨音速小扰动定常势流压力方程，边界条件及混合差分解法，完成跨音速风洞自适应壁的气动计算和跨音速翼型的气动设计。计算结果与风洞实验结果相一致。

( 4)与航空工业部上海飞机设计研究所沈克杨研究员合作提出跨音速二级近似小扰动定常速势方程，以及相应的边界条件及混合差分解法，得到的数值解比跨音速一级近似小扰动速势方程的解更接近全速势方程的解。

( 5)推广跨音速纵向大扰动横向小扰动定常势流方程到非定常势流，用近似因子分解迭代方法AF-2 得到二元振荡翼型的跨音速非定常空气动力数值解。计算结果与风洞实验结果相一致。

( 6)与国防科技大学李秀英教授等合作采用近似因子分解迭代方法AF-2 和并行算法，进一步提高跨音速流混合差分计算的计算效率。

( 7)完成边界层方程的数值计算与Bauer-Garabedian-Korn 无粘流方程的速度图数值计算( 1972) 的耦合，应用于超临界翼型的气动设计。

( 8)对跨音速二元翼型流，航天工业部北京空气动力学研究所陈铁民研究员用经典的跨音速小扰动速势方程( 1982) ，美国Steinhoff，J． 和Jameson，A． 教授用全速势方程( 1982) ，都用不同的初始速势值，得到多个数值解。罗时钧用跨音速纵向大扰动、横向小扰动速势方程数值计算进一步发现，不仅对跨音速二元翼型流，而且对跨音速三元机翼流，都会得到多个数值解; 不仅用不同的初始速势值，而且用不同的差分格式( Murman-Cole 守恒格式，Murman-Cole 非守恒格式，Engquist-Osher 格式( 1980) ) ，不同的迭代解法及其参数( 线松弛方法，AF-2 近似因子分解方法) ，都会得到多个数值解。多个数值解的主要差别是局部激波的位置和强度。

( 9)跨音速翼型压力分布计算方法被收入航空气动力手册( 1983) 。

( 10) 1979年发表专著《跨音速定常势流的混合差分法》。瑞典航空研究院理论空气动力学主任Hedman，S． G． 先生的评价( 1995) 是: “多年来用作参考书，因其陈述清晰且有系统”。

1976年召开的全国空气动力学学术讨论会邀请他作大会报告，罗时钧系统地介绍了跨音速势流混合差分法及其应用。钱学森院士作会议总结发言，充分肯定“计算流体力学”为一门新兴的学科，必将与“理论流体力学”和“实验流体力学”一道推动流体力学的发展，并批评了有些人轻视数值计算方法的言论。

顾诵芬院士的评价( 1994) 是: “罗时钧是70 年代引进计算流体力学的先驱，他发展的方法至今仍被广泛地采用”。“当代中国的国防科技事业”的评价( 1992) 是: “在气动数值计算的基础研究方面，罗时钧教授最先将小扰动方法用于实际复杂组合体计算，并进一步提出了X 方向的大扰动理论”。

90年代与美国南加州大学宇航工程系郑显基教授合作，研究升力不为零时跨音速与超音速当量律( 1975) 中的几个待解决的问题，并提出重要的更正数处。罗时钧采用跨音速流近场与远场的渐近展开法，分析Ｒankine-Hugoniot 激波关系式，证明二级近似的近场激波，不管升力的非对称影响，是平坦的，而且垂直于自由来流。并用全速势方程数值计算检验该理论的几个重要的结论。

(三) 自修正风洞技术

80年代罗时钧倡导开展自修正风洞技术研究:

( 1) 1980年与航空工业部哈尔滨空气动力学研究所王树杰研究员合作，采用小扰动速势方程和混合差分法数值模拟三元跨音速风洞自适应壁的收敛问题，应用于跨音速风洞多孔壁的开度控制。

( 2)在他的主持下，1984 年西北工业大学空气动力学研究室贺家驹教授等研制成功一座小型低速柔壁自修正风洞，1990 年国际适应壁风洞讨论会在西北工业大学召开，开启自修正风洞技术领域的国内外交流与合作。

( 3) 1988年西北工业大学空气动力学研究室屠兴、何克敏、白存儒教授等研制成功一座低湍流度风洞。采用柔壁自修正风洞技术，使得翼型模型的弦长能够达到试验段高度的80% 。美国宇航研究院适应壁时事通讯( Adaptive Wall Newsletter) 作了详细的报道( 1992 年5 月) ，列该风洞为世界上正在使用中的第13 座自适应壁试验设备。

( 4) 90年代西北工业大学空气动力学研究室徐敏、左培初教授等在低速自适应壁风洞研制成功的基础上，开展跨音速二元翼型和三元翼身组合体的自适应壁风洞实验研究，取得初步的成果。

(四) 旋转体大迎角空气动力数值计算

从70 年代开始罗时钧就倡导用数值方法模拟大迎角下旋转体的涡流与非线性气动载荷。

( 1) 70年代与航空工业部西安计算机技术研究所朱培烨研究员等合作采用涡线法数值计算旋转体在大迎角下亚音速流中的非线性空气动力，物面边界层的分离位置根据经验给定。该项研究成果，被Smith，J．H． B． 教授引入“流体力学评论”( 1986) 。

( 2) 80年代采用改进的涡线法和给定不对称的边界层分离位置，得到收敛的非对称的涡流与非对称的空气动力，与实验结果吻合良好。郑哲敏院士的评价( 1995) 是: “用多涡线法数值模拟绕旋转体的非对称涡流在世界上未曾有人获得成功。”

( 3) 90年代采用欧拉方程和纳维-斯托克斯方程数值模拟旋转体大迎角下非对称涡的发生，计算结果与文献中的风洞实验结果相一致。

(五) 非定常空气动力数值计算

本时纪初，罗时钧与美国加州大学尔湾分校刘锋教授等采用欧拉方程数值研究振荡机翼的空气动力，主要成果有:

( 1)创建翼型俯仰和沉浮振荡运动参数的优化方法，以提高推进效率;

( 2)提出在超临界速度下振荡翼型的动力失速边界采用最小压力系数值作为判据，比采用最大有效迎角值较为适宜;

( 3)发现当折算频率较大时，沉浮振荡翼型的后缘载荷不为零，与文献中的实验和纳维-斯托克斯方程数值计算结果一致;

( 4)提出三元振荡机翼的近似的物面边界条件，使得能够采用简化的网格数值计算，以提高三元机翼颤振的计算效率。

(六) 细长锥体大迎角下锥型涡的稳定性理论、计算与实验

2000年以来他与美国加州大学尔湾分校刘锋教授和西北工业大学蔡晋生教授合作研究细长锥体涡流的绝对稳定性理论，并用数值计算验证。该成果对文献中实验结果之间的不一致性给出了合理的解释，澄清了学术界对三角翼大迎角对称的脱体涡的稳定性的争议，对飞行器前体的空气动力设计与控制有应用价值。

主要理论结果包括:

( 1)在细长圆锥体上，无论对称和非对称的锥型涡都不稳定;

( 2)在细长锥体的对称平面上放置低高度的背鳍会导致对称的锥型涡失稳;

( 3)细长三角翼尖锐前缘变钝时，前缘的对称的锥型涡会变为不稳定;

( 4)圆锥与边条组合体当迎角较大时，边条尖锐前缘稳定的、对称的锥型涡会转变为稳定的、非对称的锥型涡。

他们用欧拉方程数值计算验证若干典型的理论结果。该理论成果被吴介之教授等写入专著Vorticity and Vortex Dynamics( 2006)。

同时他指导学生利用西北工业大学3.0m X 1.6m 和3.5m X 2.5m 低速风洞分别做细长圆锥体和小展弦比平板三角翼+ 背鳍的大迎角空气动力实验研究，风洞实验研究的主要成果包括:

( 1)细长圆锥体在大迎角下的侧力随圆锥体的滚转角变化的不确定性中存在局部侧力与当地压力分布一一对应的关系，该一一对应关系不仅存在于局部侧力的最大值时，还存在于局部侧力的任意中间值时;

( 2)在小展弦比尖锐前缘的平板三角翼上放置低高度的平板三角形背鳍在大迎角下会使机翼前缘涡由原先的对称和锥型变为非对称和非锥型。与理论结果( 2) 符合

(七) 细长圆锥体在大迎角下等离子体激励器横向操纵的实验研究

2007年罗时钧与美国加州大学尔湾分校刘锋教授等基于圆锥体大迎角下漩涡的不稳定性理论，采用等离子体激励方法操纵圆锥的横向空气动力与力矩。设计一对绝缘介质阻挡放电的等离子激励器置于圆锥顶点的两侧，采用占空循环技术，实现侧力和偏航力矩随占空比的线性控制曲线。发现在占空循环下的侧力随时间的变化是连续曲线，而不是前人预测的矩形曲线。等离子体激励的流动控制方法具有反应快，输入功率低和无运动部件等优点，因而有应用前景。该实验研究是在西北工业大学3． 0mX1． 6m 低速风洞进行的。他远在美国加州，借助于国际互联网络，指导在西北工业大学的研究生进行风洞实验，西安和美国加州的时差使该项研究工作能24 小时地连续进行。

四、参与国内学术交流

(一) 巡回讲学推广“跨音速定常势流的混合差分法”

1975～ 1980 年罗时钧携带自编讲义到航空、航天工业部厂、所向科技人员讲授飞行器跨音速空气动力学与混合差分数值计算方法，共十余个单位。美国南加州大学郑显基教授的评价( 1990) 是: “罗时钧在中国跨音速与计算空气动力学上的先驱性的研究、教学与论著对中国许多厂、所成功的开发与应用计算流体力学程序起到了突出的推进作用。”

(二) 80 年代，应上海交通大学邀请，讲授跨音速空气动力学、气体动力学等课程，共三个学期，并与航空工业部上海飞机设计研究所沈克杨研究员合作培养硕士1 名。

(三) 90 年代，应国防科技大学邀请，与李秀英教授合作培养硕士2 名，完成银河-1 计算机上最优并行算法，进一步提高跨音速流混合差分计算的计算效率; 与纪仕坪教授合作培养硕士1 名，研究风洞实验模型的磁悬浮支持与空气动力测定技术。

(四) 应中国航空学会和中国空气动力学研究会邀请，组织并主持“全国跨音速流讨论会”第1 至5 届( 1981-1990) ，第一届跨音速流讨论会( 1981) 在西北工业大学举行; 组织并主持“全国飞机部件空气动力学讨论会”( 1983) 。获中国航空学会工作积极分子称号( 1984) 和名誉理事( 1988) 称号，《航空学报》突出贡献编委( 1992) 称号。

五、参与国外学术交流

(一) 应瑞典航空研究院邀请，主讲跨音速空气动力学与数值计算( 1982 年11 月1-13 日) ，共四讲。

(二) 应美国马里兰大学邀请，主讲跨音速空气动力学与数值计算一学期( 1986 年夏) ，共二讲，并与美国马里兰大学柏实义教授合编“可压缩流理论与计算动力学”( 1991) 。美国NASA Ames 研究中心应用计算组主任Holst，T． L． 博士评价该书“许多章节对航空科学的研究生、研究人员和工程师有用”。

(三) 应美国康乃尔大学邀请，主讲跨音速空气动力学与数值计算一学期( 1986 年秋) ，共10 讲。美国康乃尔大学机械与宇航工程系主任Caughey，D． A． 教授的评价( 1995) 是: “罗时钧的这些重要贡献使他处于发展跨音速势流的数值计算方法并应用它们解决重要的空气动力学问题的研究前沿”。

(四) 应美国加州理工学院邀请，主讲跨音速空气动力学与数值计算一学期( 1987 年冬) ，共四讲。

(五) 应美国南加州华裔美籍工程师与科学家协会技术会议( 1987) 邀请，报告“中国的航空工程教育与空气动力学科研”，获得突出贡献讲演奖状。

(六) 应美国宇航研究院( NASA) Ames 研究中心邀请，与其应用计算组主任Holst，T． L．博士合作研究跨音速空气动力学和数值计算，完成研究报告“跨音速横向小扰动方程及其计算”( NASA AＲC Interchange No． NCA 2-201，Sep． 1987) 。研究工作的地点设在美国Santa Clara 大学机械工程系。

(七) 应美国南加州大学邀请，讲“机翼与机身空气动力学”和“空气动力学的当前课题”课程，共三个学期( 1990-1991) ，因课后答疑受到学生好评，获美国工程师ΣФΔ 兄弟会教授会员荣誉称号( 1997-) 。并与美国南加州大学郑显基教授合作研究升力不为零时跨音速与超音速当量律中的待解决的问题( 1990-1993) ，获得美国科学基金会的美-中合作研究奖金( Award Number 9017252) 和1993 年台湾欧荣宜奖金。

(八) 应“计算流体力学30 年和跨音速流讨论会”( 1997) 的邀请发表论文，纪念Murman，E． 教授和表彰他30 年来在跨音速空气动力学和计算流体力学中的创新贡献。发表论文的作者选自国际上知名的在空气动力学和计算流体力学中受其影响至深的研究人员。

(九) 任职美国加州大学尔湾分校研究员( 2002 年至今) 。与美国加州大学尔湾分校刘锋教授合作，指导博士后1 人，培养博士1 名和硕士4 名，发表论文30 余篇。

(十) 参与航空工业部赴德国宇航研究院空气动力设计研究所考察，并制定中德科研交流计划( 1979-) 。

(十一) 应德国“应用力学与工程中的计算机方法”邀请，任顾问编辑( 1980-1996) 。

(十二) 应美国“数学评论”邀请，任评论员( 1986 年至今) ，共发表有关理论流体力学与计算流体力学的论文的评论40 余篇。

六、罗时钧主要论著

罗时钧，超音速旋转体与机翼当升力不为零时的波阻力，航空学报，1961，第3 期，9-15。

罗时钧，郑郁文，王蝶茜，钱鸿，跨音速定常势流的混合差分方法，国防工业出版社，1979。

郑郁文，罗时钧，绕钝前缘机翼跨音速势流的松弛计算及其稳定性和收敛性讨论，航空学报，第3 卷，第3期，1982，1-14 页。

王利霞，罗时钧，跨音速定常小扰动压力方程的混合差分法，空气动力学学报，第4 卷，1986，159-167。

包芸，罗时钧，跨音速飞机头部进气道前空速管的气动补偿计算，航空学报，第8 卷，1987，B287-B290。

高超，罗时钧，跨音速翼型风洞模型区侧壁抽吸的影响，航空学报，第8 卷，1987，A274-A278。

闵赛金，罗时钧，李秀英，YH-1 机上最优并行算法的选择，数值计算与计算机应用，第2 期，1992，152-156页。

朱培烨，寿文熹，罗时钧，机翼与机身大迎角非线性亚音速气动载荷，西北工业大学学报，1983，第2 期，111-121。

张武，罗时钧，非对称涡流机理的数值研究，力学学报，第22 卷，1990，513-518。

蔡晋生，罗时钧，不可压缩湍流非对称脱体涡流场数值分析，力学学报，第27 卷，第6 期，1995，732-736 页。

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