{"id":21042,"date":"2024-08-19T10:10:04","date_gmt":"2024-08-19T08:10:04","guid":{"rendered":"https:\/\/greth.fr\/?p=21042"},"modified":"2025-10-27T17:15:22","modified_gmt":"2025-10-27T16:15:22","slug":"analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/greth.fr\/en\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/","title":{"rendered":"Analyse de la stabilit\u00e9 d&#8217;un \u00e9changeur g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur \u00e0 plaques"},"content":{"rendered":"<strong><span style=\"text-decoration: underline;\">Summary :<\/span><\/strong><\/p>\n<p style=\"text-align: justify;\">In the context of greenhouse gases reduction, an increasing attention is dedicated to carbon\u2013free power plants solutions. To answer to this growing demand, tiny nuclear reactors or Small Modular Reactors (SMR), are being developed such as the 170Mwe Pressurized Water Reactor within the NUWARD project. This technology is downscaled, modular, with a very compact Steam Generators (SG) design in comparison to current recirculating SG. Moreover, the secondary fluid is vaporized through one unique passage in millimetric channels. However, such devices potentially include static (Ledinegg) and dynamic (density wave oscillations, \u2026) two-phase flow instabilities. These instabilities can alter the SG\u2019s efficiency, lifetime, and even integrity from modifying the temperature, mass flow and pressure levels. Consequently, it justifies a more precise analysis and understanding of the instability\u2019s mechanism. In this PhD, a thorough study of the Ledinegg instability and the flow maldistribution phenomenon is carried out in the compact plates SG\u2019s operating conditions. In a capillary dominated regime we consider a localized, infinitesimally thin interfacial front plunged into a forced longitudinal temperature gradient whereby vaporization arises leading to successive liquid-gas phases distribution within the channel. Whereas the liquid and vapor velocity profiles are provided by the Poiseuille\u2019s law, the temperature fields in the solid and the fluid are obtained using the generalized Graetz modes method, specifically adapted to the considered vaporization model. The generalized Graetz modes decomposition permits a semi-analytical solution of the 3D convection-diffusion problems provided that the velocity field, domain\u2019s section and Peclet\u2019s number are longitudinally invariant along the flow direction. In the first chapter, this methodology is used to analyse heat transfers in single-phase natural convection circulation loop. A new universal scaling law for the relation between the Grashof and the Reynolds numbers is obtained, this is confirmed by an asymptotic analysis and direct numerical simulations and is successfully compared with experimental data sets. This analysis has highlighted the influence of boundary conditions, boundary layers, and fluid to solid thermal conductivity ratio in the heat transfer control. In the second chapter, the generalized Graetz modes method is extended to solve the temperature fields as well as the two-phase interface position within the vaporization model. This methodology is applied to two configurations: a uniformly heated single channel and a co-current heat exchanger. The vaporization\u2019s numerical computation with imposed heat flux in a microchannel depicts the proportionality between the front\u2019s position and the liquid Peclet\u2019s number. The results are consistent with the theoretical energy balance analysis as well as with experimental data obtained in the literature for moderated mass flows and heating powers. Using the resulting interface\u2019s position law into a pressure drops model, the boundaries of the stability areas in a single heated microchannel and many parallel channels have been computed and analysed. In the case of the co-current heat exchanger, the state-of-the-art remains spotty because most of stability studies deals with imposed heat flux and thermally insulated channels, not relevant for conjugated heat transfers in a heat exchanger which deviate from such simplified assumptions. Our confined vaporization model predicts a logarithmic dependence between the two-phase interface\u2019s position and the secondary inlet Peclet\u2019s number. The influence of the fluid properties, primary mass flow and the wall thermal conductivity on this law has been studied and allowed to specify the stability criteria for a single heat exchanger and a network composed of parallel heat exchangers, closer to the compact plates\u2019 SG.<\/p>\n<table border=\"1\" width=\"100%\">\n<tbody>\n<tr>\n<td><strong>Author<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Martin RUDKIEWICZ<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Date of presentation<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>2024, may 23th<\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td><strong>Keywords<\/strong><\/td>\n<\/tr>\n<tr>\n<td>Instabilities, Microchannel, Heat exchanger, Multiphase flows, Conjugated heat transfers, Steam generator<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n\n\n\n<div class=\"eds-animate edsanimate-sis-hidden\" data-eds-entry-animation=\"bounceIn\" data-eds-entry-delay=\"0\" data-eds-entry-duration=\"1\" data-eds-entry-timing=\"linear\" data-eds-exit-animation=\"\" data-eds-exit-delay=\"\" data-eds-exit-duration=\"\" data-eds-exit-timing=\"\" data-eds-repeat-count=\"1\" data-eds-keep=\"yes\" data-eds-animate-on=\"load\" data-eds-scroll-offset=\"\">\n\t\t<div class=\"box info\">\n\t\t\t<div class=\"box-inner-block\">\n\t\t\t\t<span class=\"fa tie-shortcode-boxicon\"><\/span>\n<p style=\"text-align: justify;\"><strong>&#x2666; The full version is only available for subscribers <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #3db2ea; color: #fff;\">\"ESSENTIEL\"<\/span><\/a> or <a style=\"text-decoration: none;\" href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><span style=\"background-color: #c6002c; color: #fff;\">\"PREMIUM\"<\/span><\/a> of GRETh!<\/strong><\/p>\n<p>&#x2666; If you are already a member \/ subscriber, you must identify yourself by <a href=\"\/wp-login.php\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.<br \/>\n&#x2666; If you are not a member, you can consult the offer proposed by GRETh by <a href=\"\/en\/offre-du-greth\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a> as well as the conditions of membership by <a href=\"\/en\/conditions-adhesion\/\"><strong>clicking here<\/strong><\/a>.\n\t\t\t<\/div>\n\t\t<\/div>\n\t<\/div>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>R\u00e9sum\u00e9 : Dans un contexte de r\u00e9duction des Gaz \u00e0 Effet de Serre, une attention croissante est port\u00e9e sur les sources de production d&#8217;\u00e9nergie \u00e9lectrique d\u00e9carbon\u00e9e. Pour r\u00e9pondre \u00e0 cette demande des projets de r\u00e9acteurs nucl\u00e9aires de petite taille, les Small Modular Reactor sont en phase de d\u00e9veloppement, \u00e0 l\u2019instar du projet NUWARD et de son r\u00e9acteur \u00e0 eau pressuris\u00e9 de 170MWe. Cette technologie se distingue par sa modularit\u00e9 et le design tr\u00e8s compact de ses g\u00e9n\u00e9rateurs de vapeur (GV) en comparaison des GV usuels. Le fluide secondaire est, en outre, vaporis\u00e9 en une unique passe dans des canaux de taille millim\u00e9trique. Ces GV sont susceptibles d&#8217;\u00eatre le si\u00e8ge d&#8217;instabilit\u00e9s thermohydrauliques diphasiques statiques (Ledinegg) ou dynamiques (onde de densit\u00e9, &#8230;). Ces instabilit\u00e9s modifient les niveaux de temp\u00e9ratures, d\u00e9bits et pressions, capables d\u2019impacter l&#8217;efficacit\u00e9, la dur\u00e9e de vie, voire l&#8217;int\u00e9grit\u00e9 des GV. Elles justifient ainsi une bonne compr\u00e9hension et mod\u00e9lisation des conditions d\u2019apparition de ces instabilit\u00e9s. Cette th\u00e8se analyse l&#8217;instabilit\u00e9 de Ledinegg dans les conditions de fonctionnement des GV compacts \u00e0 plaques. Un mod\u00e8le simplifi\u00e9 d&#8217;\u00e9vaporation en convection forc\u00e9e en domaine confin\u00e9 est propos\u00e9 et explor\u00e9. Consid\u00e9rant que les interfaces sont domin\u00e9es par la capillarit\u00e9 et localis\u00e9es par les gradients longitudinaux de temp\u00e9rature, ce mod\u00e8le d\u00e9crit le couplage thermique se produisant dans le cas d\u2019un front de vaporisation, plan, d&#8217;\u00e9paisseur infinit\u00e9simale, s\u00e9parant un domaine liquide d&#8217;un domaine vapeur. Les champs de temp\u00e9rature sont r\u00e9solus \u00e0 l&#8217;aide de la m\u00e9thode des modes de Graetz g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9s, sp\u00e9cifiquement adapt\u00e9e au mod\u00e8le d&#8217;\u00e9vaporation choisi. La d\u00e9composition en modes de Graetz g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9s r\u00e9sout semi-analytiquement des probl\u00e8mes tridimensionnels de convection-diffusion permettant d&#8217;analyser finement les \u00e9changes convectifs conjugu\u00e9s. Dans le premier chapitre cette approche est utilis\u00e9e pour \u00e9tudier les transferts thermiques dans les boucles monophasiques en circulation naturelle. Une analyse num\u00e9rique a permis d&#8217;\u00e9tablir une nouvelle loi d\u2019\u00e9chelle universelle reliant les nombres de Grashof et Reynolds, confirm\u00e9e par une analyse asymptotique des couches limites pari\u00e9tales. Cette loi a \u00e9t\u00e9 confront\u00e9e avec succ\u00e8s aux corr\u00e9lations empiriques existantes et \u00e0 des jeux de donn\u00e9es exp\u00e9rimentales. L&#8217;\u00e9tude a mis en \u00e9vidence le pilotage des transferts thermiques par la nature des conditions aux limites, les couches limites et le rapport des conductivit\u00e9s thermiques fluide\/solide. Dans le second chapitre, la m\u00e9thode des modes de Graetz g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9s est \u00e9tendue \u00e0 la r\u00e9solution des champs de temp\u00e9rature avec un front d\u2019\u00e9vaporation permettant de d\u00e9terminer le positionnement de celui-ci. Cette m\u00e9thode est ensuite appliqu\u00e9e \u00e0 un mono-canal chauff\u00e9 uniform\u00e9ment et un \u00e9changeur co-courant. L\u2019\u00e9tude de la vaporisation dans un micro-canal \u00e0 flux impos\u00e9 a permis d\u2019\u00e9tablir une loi lin\u00e9aire entre position du front et nombre de P\u00e9clet. Les r\u00e9sultats num\u00e9riques sont coh\u00e9rents avec l\u2019analyse analytique du bilan d\u2019\u00e9nergie et les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales de la litt\u00e9rature, \u00e0 des d\u00e9bits et puissances de chauffe mod\u00e9r\u00e9s. La loi d&#8217;\u00e9volution du front d&#8217;\u00e9vaporation associ\u00e9e \u00e0 un mod\u00e8le de pertes de charge ont men\u00e9 aux les contours des zones instables pour un micro-canal chauff\u00e9 isol\u00e9 et\/ou en r\u00e9seau ont \u00e9t\u00e9 trac\u00e9s et caract\u00e9ris\u00e9s. Dans le cas de l&#8217;\u00e9changeur co-courant, la majorit\u00e9 des \u00e9tudes de stabilit\u00e9 consid\u00e8re des canaux \u00e0 flux thermique impos\u00e9 et thermiquement isol\u00e9s. Or les transferts conjugu\u00e9s dans un \u00e9changeur s\u2019\u00e9cartent a priori, par nature, des \u00e9changes \u00e0 flux impos\u00e9. Le mod\u00e8le d\u2019\u00e9vaporation confin\u00e9 pr\u00e9dit ainsi une relation logarithmique entre position du front et P\u00e9clet d&#8217;entr\u00e9e. Les d\u00e9pendances de cette relation aux propri\u00e9t\u00e9s du fluide et de la paroi, des d\u00e9bits du circuit primaire ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9es et permis d\u2019\u00e9tablir des crit\u00e8res de stabilit\u00e9 pour un \u00e9changeur seul et\/ou en r\u00e9seau, repr\u00e9sentatifs des GV consid\u00e9r\u00e9s.<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":964,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[20,21],"tags":[6829,6426,6543,6823,6827,6824,6825,6821,6826,6828,6830,6822],"class_list":["post-21042","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-documents","category-memoires-theses","tag-conjugated-heat-transfers","tag-echangeur-thermique","tag-ecoulements-diphasiques","tag-generateur-de-vapeur","tag-heat-exchanger","tag-instabilites","tag-instabilities","tag-microcanaux","tag-microchannel","tag-multiphase-flows","tag-steam-generator","tag-transferts-couples"],"yoast_head":"<!-- This site is optimized with the Yoast SEO Premium plugin v23.9 (Yoast SEO v27.3) - https:\/\/yoast.com\/product\/yoast-seo-premium-wordpress\/ -->\n<title>Analyse de la stabilit\u00e9 d&#039;un \u00e9changeur g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur \u00e0 plaques - GRETh<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/greth.fr\/en\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"en_US\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"Analyse de la stabilit\u00e9 d&#039;un \u00e9changeur g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur \u00e0 plaques\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"R\u00e9sum\u00e9 : Dans un contexte de r\u00e9duction des Gaz \u00e0 Effet de Serre, une attention croissante est port\u00e9e sur les sources de production d&#039;\u00e9nergie \u00e9lectrique d\u00e9carbon\u00e9e. 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La loi d&#039;\u00e9volution du front d&#039;\u00e9vaporation associ\u00e9e \u00e0 un mod\u00e8le de pertes de charge ont men\u00e9 aux les contours des zones instables pour un micro-canal chauff\u00e9 isol\u00e9 et\/ou en r\u00e9seau ont \u00e9t\u00e9 trac\u00e9s et caract\u00e9ris\u00e9s. Dans le cas de l&#039;\u00e9changeur co-courant, la majorit\u00e9 des \u00e9tudes de stabilit\u00e9 consid\u00e8re des canaux \u00e0 flux thermique impos\u00e9 et thermiquement isol\u00e9s. Or les transferts conjugu\u00e9s dans un \u00e9changeur s\u2019\u00e9cartent a priori, par nature, des \u00e9changes \u00e0 flux impos\u00e9. Le mod\u00e8le d\u2019\u00e9vaporation confin\u00e9 pr\u00e9dit ainsi une relation logarithmique entre position du front et P\u00e9clet d&#039;entr\u00e9e. 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Pour r\u00e9pondre \u00e0 cette demande des projets de r\u00e9acteurs nucl\u00e9aires de petite taille, les Small Modular Reactor sont en phase de d\u00e9veloppement, \u00e0 l\u2019instar du projet NUWARD et de son r\u00e9acteur \u00e0 eau pressuris\u00e9 de 170MWe. Cette technologie se distingue par sa modularit\u00e9 et le design tr\u00e8s compact de ses g\u00e9n\u00e9rateurs de vapeur (GV) en comparaison des GV usuels. Le fluide secondaire est, en outre, vaporis\u00e9 en une unique passe dans des canaux de taille millim\u00e9trique. Ces GV sont susceptibles d'\u00eatre le si\u00e8ge d'instabilit\u00e9s thermohydrauliques diphasiques statiques (Ledinegg) ou dynamiques (onde de densit\u00e9, ...). Ces instabilit\u00e9s modifient les niveaux de temp\u00e9ratures, d\u00e9bits et pressions, capables d\u2019impacter l'efficacit\u00e9, la dur\u00e9e de vie, voire l'int\u00e9grit\u00e9 des GV. Elles justifient ainsi une bonne compr\u00e9hension et mod\u00e9lisation des conditions d\u2019apparition de ces instabilit\u00e9s. Cette th\u00e8se analyse l'instabilit\u00e9 de Ledinegg dans les conditions de fonctionnement des GV compacts \u00e0 plaques. Un mod\u00e8le simplifi\u00e9 d'\u00e9vaporation en convection forc\u00e9e en domaine confin\u00e9 est propos\u00e9 et explor\u00e9. Consid\u00e9rant que les interfaces sont domin\u00e9es par la capillarit\u00e9 et localis\u00e9es par les gradients longitudinaux de temp\u00e9rature, ce mod\u00e8le d\u00e9crit le couplage thermique se produisant dans le cas d\u2019un front de vaporisation, plan, d'\u00e9paisseur infinit\u00e9simale, s\u00e9parant un domaine liquide d'un domaine vapeur. Les champs de temp\u00e9rature sont r\u00e9solus \u00e0 l'aide de la m\u00e9thode des modes de Graetz g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9s, sp\u00e9cifiquement adapt\u00e9e au mod\u00e8le d'\u00e9vaporation choisi. La d\u00e9composition en modes de Graetz g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9s r\u00e9sout semi-analytiquement des probl\u00e8mes tridimensionnels de convection-diffusion permettant d'analyser finement les \u00e9changes convectifs conjugu\u00e9s. Dans le premier chapitre cette approche est utilis\u00e9e pour \u00e9tudier les transferts thermiques dans les boucles monophasiques en circulation naturelle. Une analyse num\u00e9rique a permis d'\u00e9tablir une nouvelle loi d\u2019\u00e9chelle universelle reliant les nombres de Grashof et Reynolds, confirm\u00e9e par une analyse asymptotique des couches limites pari\u00e9tales. Cette loi a \u00e9t\u00e9 confront\u00e9e avec succ\u00e8s aux corr\u00e9lations empiriques existantes et \u00e0 des jeux de donn\u00e9es exp\u00e9rimentales. L'\u00e9tude a mis en \u00e9vidence le pilotage des transferts thermiques par la nature des conditions aux limites, les couches limites et le rapport des conductivit\u00e9s thermiques fluide\/solide. Dans le second chapitre, la m\u00e9thode des modes de Graetz g\u00e9n\u00e9ralis\u00e9s est \u00e9tendue \u00e0 la r\u00e9solution des champs de temp\u00e9rature avec un front d\u2019\u00e9vaporation permettant de d\u00e9terminer le positionnement de celui-ci. Cette m\u00e9thode est ensuite appliqu\u00e9e \u00e0 un mono-canal chauff\u00e9 uniform\u00e9ment et un \u00e9changeur co-courant. L\u2019\u00e9tude de la vaporisation dans un micro-canal \u00e0 flux impos\u00e9 a permis d\u2019\u00e9tablir une loi lin\u00e9aire entre position du front et nombre de P\u00e9clet. Les r\u00e9sultats num\u00e9riques sont coh\u00e9rents avec l\u2019analyse analytique du bilan d\u2019\u00e9nergie et les donn\u00e9es exp\u00e9rimentales de la litt\u00e9rature, \u00e0 des d\u00e9bits et puissances de chauffe mod\u00e9r\u00e9s. La loi d'\u00e9volution du front d'\u00e9vaporation associ\u00e9e \u00e0 un mod\u00e8le de pertes de charge ont men\u00e9 aux les contours des zones instables pour un micro-canal chauff\u00e9 isol\u00e9 et\/ou en r\u00e9seau ont \u00e9t\u00e9 trac\u00e9s et caract\u00e9ris\u00e9s. Dans le cas de l'\u00e9changeur co-courant, la majorit\u00e9 des \u00e9tudes de stabilit\u00e9 consid\u00e8re des canaux \u00e0 flux thermique impos\u00e9 et thermiquement isol\u00e9s. Or les transferts conjugu\u00e9s dans un \u00e9changeur s\u2019\u00e9cartent a priori, par nature, des \u00e9changes \u00e0 flux impos\u00e9. Le mod\u00e8le d\u2019\u00e9vaporation confin\u00e9 pr\u00e9dit ainsi une relation logarithmique entre position du front et P\u00e9clet d'entr\u00e9e. Les d\u00e9pendances de cette relation aux propri\u00e9t\u00e9s du fluide et de la paroi, des d\u00e9bits du circuit primaire ont \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9es et permis d\u2019\u00e9tablir des crit\u00e8res de stabilit\u00e9 pour un \u00e9changeur seul et\/ou en r\u00e9seau, repr\u00e9sentatifs des GV consid\u00e9r\u00e9s.","og_url":"https:\/\/greth.fr\/en\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/","og_site_name":"GRETh","article_publisher":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_author":"https:\/\/www.facebook.com\/grethfr\/","article_published_time":"2024-08-19T08:10:04+00:00","article_modified_time":"2025-10-27T16:15:22+00:00","og_image":[{"width":424,"height":283,"url":"https:\/\/greth.fr\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/theses-8.jpg","type":"image\/jpeg"}],"author":"GRETh","twitter_card":"summary_large_image","twitter_creator":"@grethfr","twitter_site":"@grethfr","twitter_misc":{"Written by":"GRETh","Est. reading time":"8 minutes"},"schema":{"@context":"https:\/\/schema.org","@graph":[{"@type":"Article","@id":"https:\/\/greth.fr\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/#article","isPartOf":{"@id":"https:\/\/greth.fr\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/"},"author":{"name":"GRETh","@id":"https:\/\/greth.fr\/#\/schema\/person\/6e173032c4ce46c14339ff999b721f00"},"headline":"Analyse de la stabilit\u00e9 d&#8217;un \u00e9changeur g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur \u00e0 plaques","datePublished":"2024-08-19T08:10:04+00:00","dateModified":"2025-10-27T16:15:22+00:00","mainEntityOfPage":{"@id":"https:\/\/greth.fr\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/"},"wordCount":1666,"publisher":{"@id":"https:\/\/greth.fr\/#organization"},"image":{"@id":"https:\/\/greth.fr\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/#primaryimage"},"thumbnailUrl":"https:\/\/greth.fr\/wp-content\/uploads\/2015\/08\/theses-8.jpg","keywords":["Conjugated heat transfers","\u00e9changeur thermique","\u00e9coulements diphasiques","G\u00e9n\u00e9rateur de vapeur","Heat exchanger","Instabilit\u00e9s","Instabilities","Microcanaux","Microchannel","Multiphase flows","Steam generator","Transferts coupl\u00e9s"],"articleSection":["Documents","M\u00e9moires de th\u00e8ses"],"inLanguage":"en-US"},{"@type":"WebPage","@id":"https:\/\/greth.fr\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/","url":"https:\/\/greth.fr\/analyse-de-la-stabilite-dun-echangeur-generateur-de-vapeur-a-plaques\/","name":"Analyse de la stabilit\u00e9 d'un \u00e9changeur g\u00e9n\u00e9rateur de vapeur \u00e0 plaques - 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