1. 서 론
물류 창고, 아트리움(atrium), 공연장, 선박 등에서 화재 발생 시 구획실 내 연기를 효과적으로 배출하기 위해 해당 구획실의 천장에 개구부 설치를 고려할 수 있다(1,2). 이 경우 화원 및 천장 개구부 조건은 구획실 내 화재 현상과 밀접한 연관이 있고, 이에 대한 연구 결과는 화재 안전성 확보를 위한 천장 개구부 설계에 중요한 자료로 활용될 수 있다.
천장 개구부가 설치된 구획실에서의 화재 현상을 검토한 연구가 일부 수행되었다. 기존 연구에서는 화원 및 개구부 크기(3-6) 등에 따른 구획실 내 온도(3-6), 개구부 유동 양식(3,6), 개구부 유동의 속도(6) 및 질량 유량(6), 연료의 질량 손실률(3-5), 구획실 내 산소 농도(4,5) 등을 검토하였다. 또한, 구획실 내 화재 현상에 영향을 미치는 화원 조건 중 하나는 화원 위치이다. 이에 대한 연구로 Park과 Lee(7)는 축소 모형 구획실 화재를 대상으로 화원 위치와 개구부 면적이 구획실 내 온도, 개구부 유동의 속도 및 질량 유량에 미치는 영향에 대해 전산시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 전산시뮬레이션 결과와 상사 법칙을 적용하여 실규모 구획실 화재에 대한 개구부 질량 유량을 분석하였다. Park(8)은 화원 위치 및 개구부 면적이 구획실 내 온도, 천장 개구부에서의 유동 속도, 질량 유량, 유동 양식에 미치는 영향에 대한 실험 및 전산시뮬레이션을 수행하였다. 또한 실험 데이터와 Chen(9)의 상관식 형태를 이용하여 연기 유출 면적 상관식을 제안하였다. Park과 Lee(10)는 2개의 천장 개구부가 설치된 구획실 화재 현상에 대한 전산시뮬레이션 연구를 수행하였고, 화원 위치와 개구부 덕트(duct) 높이에 따른 천장 개구부 유동의 질량 유량 및 유동 양식, 온도 결과를 검토하였다. 이와 같이 화원 위치 영향에 대한 연구가 일부 수행되었으나 여전히 미흡한 상황이고, 개구부 위치 영향에 대한 체계적인 연구는 거의 수행되지 않은 것으로 파악되었다.
한편, Kim과 Lee(11)는 Park(8)의 연구 대상인 높이 1.1 m의 천장 개구부가 설치된 구획실을 토대로, 구획실의 높이를 5.5 m로 증가시켜 전산시뮬레이션을 수행하였다. Park(8)의 연구 결과와의 비교를 통해, 특정한 화원 위치와 개구부 면적 조건에서 구획실 높이에 따른 개구부 유동과 구획실 내 온도 분포 변화를 검토하였고, 구획실 높이가 화재 현상에 지대한 영향을 미친다는 것을 보고하였다. 특히 구획실 높이가 5.5 m이고 화원이 구획실 바닥 측면에 위치하는 경우 구획실 내에 거시적인 회전 유동(즉, 화원이 위치하는 쪽에서는 상승 유동, 화원이 위치하지 않는 반대쪽에서는 하강 유동)이 관찰되었고, 이러한 유동 현상이 개구부 질량 유량 및 구획실 내 온도 분포에 영향을 미친다고 보고하였다. 거시적인 회전 유동을 고려할 때 천장 개구부 위치에 따라 개구부를 통과하는 질량 유량이 영향받을 것으로 추측되나 Kim과 Lee(11)의 연구에서는 천장 개구부의 위치가 모두 천장 중앙인 경우에 대해서만 연구가 수행되었다. 또한 Kim과 Lee(11)의 연구에서 대상으로 한 구획실보다 높이가 더 높은 구획실에서는 새로운 유동 현상이 나타날 가능성이 있고, 해당 유동 현상에 따른 개구부 질량 유량과 구획실 내 평균 온도 변화에 대한 분석은 의미가 있을 수 있다. 하지만 기존 연구 동향을 조사한 결과, 천장 개구부가 설치된 구획실의 높이가 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향에 대한 검토가 거의 이루어지지 않은 것으로 확인되었다.
천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 현상에 대한 기존 연구를 검토한 결과, 구획실 높이와 화원 및 개구부 위치가 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 미흡한 것으로 판단되었다. 따라서, 본 연구에서는 높이가 다른 2가지 구획실을 대상으로 구획실 높이, 화원 위치, 개구부 위치가 천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 현상에 미치는 영향에 대한 전산시뮬레이션 연구를 수행하였다. Kim과 Lee(11)의 연구에서 대상으로 한 높이 5.5 m 구획실에서의 추가적인 조건과 구획실 높이를 11 m로 증가시킨 새로운 구획실의 조건에서 전산시뮬레이션을 수행하였다. 구획실 높이 5.5 m와 11 m인 경우에 대해 화원 위치(구획실 바닥 중앙과 왼쪽)와 개구부 위치(천장 중앙, 왼쪽과 오른쪽)에 따른 개구부 질량 유량, 구획실 내 유동 분포 및 속도, 평균 온도를 검토하였다.
2. 방법 및 조건
Figure 1에 본 전산시뮬레이션의 개략도 및 구획실 내 온도와 속도, 천장 개구부 질량 유량 측정 위치를 나타내었다. 또한 화원 및 개구부의 위치, 측정점에 대한 세부 설명을 위해, Figure 2에 구획실을 위에서 본 개략도(top-view)를 나타내었다. Figure 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에서는 구획실의 높이가 5.5 m와 11 m인 구획실을 대상으로 하였다. 구획실 높이가 5.5 m인 경우에 대해서는 Kim과 Lee(11)의 연구에서 구축한 전산시뮬레이션 방법을 이용하여 추가적인 화원 및 개구부 위치에서 전산시뮬레이션을 수행하였다. 또한 Kim과 Lee(11)의 전산시뮬레이션과 바닥 면적은 동일하고 구획실 높이가 11 m가 되도록 설정하여 화원 및 개구부 위치 변화에 따른 데이터를 확보하였다. 즉, Kim과 Lee(11)의 연구와 본 연구에서 사용한 전산시뮬레이션의 크기는 각각 2.04 m (폭) × 1 m (깊이) × 5.5 m (높이)와 2.04 m (폭) × 1 m (깊이) × 11 m (높이)이다. 2가지 구획실 모두 천장에는 동일한 크기의 단일 수평 개구부가 설치되어 있다.
Figures 1과 2에 나타낸 바와 같이, 구획실 내 온도 분포 측정을 위해 총 4개의 측정점 배열을 설정하였고, 각각 T1∼T4로 명명하였다. T1∼T3은 기존 연구(11)를 바탕으로 설정된 온도 측정 위치로, T1∼T3은 구획실 중앙으로부터 각각 0.86, 0.51, 0.34 m 떨어진 위치에 설정하였다. 한편, T4는 화원이 구획실 바닥의 왼쪽에 설치될 때 화원 중심 온도 측정 위치로 구획실 중앙으로부터 0.82 m 떨어진 위치에 설정하였다. 각 열전대에서 구획실 높이가 5.5 m인 경우, 높이 0.2∼5.4 m 내에서 0.2 m 간격으로 총 27지점, 구획실 높이가 11 m인 경우, 높이 0.2∼10.9 m 내에서 0.2 m 간격으로 총 55지점의 온도를 측정하였다. 또한 구획실 내부 유동의 속도를 확인하기 위해, 각 온도 측정점 위치에서 z축 방향 속도 성분인 W-velocity를 측정하였고, 화원이 설치된 y = 0.5 m 지점에서의 수직인 면(xz-plane)에 속도(velocity) 가시화 결과를 확보할 수 있도록 설정하였다. 한편, 각 개구부 위치에서 개구부를 통과하는 유출 질량 유량을 측정하도록 설정하였다.
Figure 2에 화원 및 개구부 설치 위치를 나타내었다. Kim과 Lee(11)의 연구를 토대로 화원 위치는 구획실 바닥의 중앙과 왼 쪽에 위치시켰고, 연료는 메탄올(methanol)을 사용하였다. 모 든 조건에서 최대 열방출률은 1.5 kW, 화재성장률은 매우 빠 름(ultrafast)(12)으로 설정하였고, 이는 기존 연구(11)와 동일한 조건이다. 화원이 왼쪽에 위치하는 경우 구획실 바닥 중앙으 로부터 0.82 m 떨어진 위치에 설정하였다. 각 화원 조건에 대 해 개구부는 구획실 천장의 중앙, 왼쪽, 오른쪽에 위치시켰고, 왼쪽과 오른쪽에 설치된 개구부의 경우, 천장 중앙으로부터 개구부 중심까지의 거리는 0.76 m로 설정하였다. 모든 조건에 서 개구부 크기는 0.45 m (폭) × 0.45 m (깊이)로 설정하였고, 이는 바닥 면적의 10% 크기이다.
Table 1에 본 연구의 전산시뮬레이션 조건을 정리하여 나타내었다. Table 1에 나타낸 바와 같이, 본 논문에서 Case 1과 Case 2는 구획실 높이가 5.5 m인 경우에 대한 기존 연구(11)의 전산시뮬레이션 결과, Case 3~Case 5는 구획실 높이가 5.5 m인 경우에 대한 본 연구의 추가 전산시뮬레이션 결과, Case 6~Case 10은 구획실 높이가 11 m인 경우에 대한 본 연구의 전산시뮬레이션 결과를 나타낸다. 한편, 본 연구에서는 결과 설명에 대한 이해를 돕기 위해 각 조건에 대해 다음과 같은 명명법을 적용하였다. 구획실 높이인 5.5 m와 11 m는 각각 5.5와 11로, 화원과 개구부는 각각 F와 V로, 구획실 바닥 및 천장의 중앙, 왼쪽, 오른쪽 위치는 각각 C, L, R로 나타내었다. 이를 토대로 각 Case에 대해 Case 번호와 함께 ‘구획실 높이-화원 위치-개구부 위치’의 형태로 표현하였다. 한 예로, 구획실 높이가 5.5 m, 화원 위치가 중앙, 개구부 위치가 중앙인 경우(Case 1)를 5.5-FC-VC로 나타내었다.
Table 1
Numerical Simulation Conditions
| Case No. | Case | Compartment Height | Fire Source Location | Vent Location | Study |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 5.5-FC-VC | 5.5 m | Center | Center | Previous Study of Kim and Lee(11) |
| 2 | 5.5-FL-VC | 5.5 m | Left | Center | |
| 3 | 5.5-FC-VL | 5.5 m | Center | Left | Present Study |
| 4 | 5.5-FL-VL | 5.5 m | Left | Left | |
| 5 | 5.5-FL-VR | 5.5 m | Left | Right | |
| 6 | 11-FC-VC | 11 m | Center | Center | |
| 7 | 11-FL-VC | 11 m | Left | Center | |
| 8 | 11-FC-VL | 11 m | Center | Left | |
| 9 | 11-FL-VL | 11 m | Left | Left | |
| 10 | 11-FL-VR | 11 m | Left | Right |
본 연구에서는 전산시뮬레이션 프로그램으로 fire dynamics simulator (ver. 6.6.0)를 사용하였다. 기존 연구(11)와 동일하게 격자 한 변의 크기는 0.01 m로 설정하였다. 이 경우, 구획실 높이가 5.5 m와 11 m 일 때의 총 격자 개수는 각각 12,804,480개와 25,159,680개이다. 전산시뮬레이션 시간은 250 s로 설정하였고, 정상 상태에 도달하였다고 판단되는 200∼250 s 구간의 데이터를 평균하여 분석에 사용하였다.
3. 결과 및 분석
3.1 개구부 질량 유량 및 구획실 내 유동 속도 분포
Figure 3에 개구부 질량 유량 측정 결과를 나타내었다. 전체적으로, 동일한 화원 및 개구부 위치 조건에서 구획실 높이가 5.5 m인 경우가 11 m인 경우에 비해 질량 유량이 많았다. 구획실 높이가 5.5 m인 경우, 화원 위치가 중앙일 때, 개구부가 중앙(Case 1: 5.5-FC-VC)인 경우가 왼쪽(Case 3: 5.5-FC-VL)인 경우에 비해 질량 유량이 많았다. 화원 위치가 왼쪽인 경우, 개구부가 왼쪽(Case 4: 5.5-FL-VL)인 경우가 질량 유량이 가장 많았고, 중앙(Case 2: 5.5-FL-VC), 오른쪽(Case 5: 5.5-FL-VR)인 경우 순으로 질량 유량이 감소하였다.
한편, 구획실 높이가 11 m이고 화원 위치가 중앙인 경우, 구획실 높이가 5.5 m인 경우와 동일하게, 개구부가 중앙(Case 6: 11-FC-VC)인 경우가 왼쪽(Case 8: 11-FC-VL)인 경우에 비해 질량 유량이 많은 것으로 나타났다. 화원 위치가 왼쪽인 경우, 개구부가 왼쪽(Case 9: 11-FL-VL)인 경우가 질량 유량이 가장 적었고, 개구부 위치가 중앙(Case 7: 11-FL-VC)과 오른쪽(Case 10: 11-FL-VR)인 경우는 유사한 것으로 나타났다. 즉, 화원 위치가 왼쪽인 경우에서, 개구부 위치가 왼쪽일 때 구획실 높이가 5.5 m인 경우 질량 유량이 가장 많은 것으로 나타났으나, 구획실 높이가 11 m인 경우 질량 유량이 가장 적은 것으로 나타났다.
화원 위치가 왼쪽일 때, 구획실 높이가 5.5 m인 경우와 11 m인 경우 간의 개구부 위치에 따른 질량 유량 경향 차이를 분석하기 위해, 구획실 내 속도 가시화 결과를 검토하였다. 구획실 높이가 5.5 m와 11 m인 경우의 구획실 내 속도 가시화 결과를 각각 Figures 4와 5에 나타내었다.
Figure 4
Visualization of velocity field under different vent locations (compartment height = 5.5 m and fire source location = left).
Figure 5
Visualization of velocity field under different vent locations (compartment height = 11 m and fire source location = left).
구획실 높이가 5.5 m (Figure 4)인 경우, 모든 개구부 위치 조건에서 거시적인 회전 유동이 관찰되었다. 즉, 구획실 내 왼쪽에서는 화원에 의한 강한 상승 유동이 관찰되었고, 오른쪽에서는 하강 유동이 관찰되었다. 이러한 유동 현상은 개구부 질량 유량과 밀접한 연관이 있는 것으로 생각된다. 개구부가 화원 위치와 동일하게 왼쪽(Case 4: 5.5-FL-VL)에 위치하는 경우 화원에 의한 강한 상승 유동으로 인해 개구부를 통한 유출이 원활하게 발생하여 질량 유량이 많은 반면, 개구부가 오른쪽(Case 5: 5.5-FL-VR)에 위치하는 경우 유동의 운동량 및 열 손실로 인해 개구부 질량 유량이 비교적 적은 것으로 생각된다. 이러한 유동 분포로 인해 Figure 3에 나타낸 바와 같이 개구부가 왼쪽(Case 4: 5.5-FL-VL)인 경우가 질량 유량이 가장 많았고, 중앙(Case 2: 5.5-FL-VC), 오른쪽(Case 5: 5.5-FL-VR)인 경우 순으로 질량 유량이 감소한 것으로 판단된다.
구획실 높이가 11 m (Figure 5)인 경우에서는 구획실 높이가 5.5 m인 경우와 다른 유동 분포가 관찰되었다. 왼쪽에 위치한 화원에서 형성된 강한 상승 유동은 구획실 천장에 도달하지 못하고 특정 높이에서 분기되었고, 분기된 유동의 일부는 구획실 오른쪽 벽면을 따라 하강, 일부는 상승하였다. 이로 인해 구획실 내 하부와 상부에서 각각 시계 방향과 반시계 방향의 거시적인 회전 유동이 형성되었다.
이러한 유동 분포를 명확하게 확인하기 위해 T4 (화원이 위치하는 왼쪽)와 T1 (화원이 위치하지 않는 오른쪽)에서 측정한 W-velocity를 Figure 6에 나타내었다. W-velocity가 양수이면 상승 유동, 음수이면 하강 유동을 의미한다. 개구부 위치가 중앙(Case 7: 11-FL-VC), 왼쪽(Case 9: 11-FL-VL), 오른쪽(Case 10: 11-FL-VR)인 경우에 대해, 화원이 위치하는 왼쪽인 T4에서는 높이가 각각 약 7.4 m, 7.3 m, 7.2 m보다 낮은 영역(구획실 하부)에서는 상승 유동, 높은 영역(구획실 상부)에서는 하강 유동이 관찰되었고, 화원이 위치하지 않는 오른쪽인 T1에서는 높이가 각각 약 7.7 m, 7.3 m, 7.5 m보다 낮은 영역(구획실 하부)에서는 하강 유동, 높은 영역(구획실 상부)에서는 상승 유동이 관찰되었다. 이러한 W-velocity 측정 결과는 앞서 언급한 바와 같이 높이가 11 m인 구획실 하부에서는 시계 방향의 회전 유동, 상부에서는 반시계 방향의 회전 유동이 나타난다는 것을 의미한다. 또한 구획실 상부에서 형성되는 유동의 W-velocity 크기는 하부에서 형성되는 W-velocity 크기에 비해 작은 것으로 나타났다. 이러한 구획실 상부의 거시적인 회전 유동을 고려할 때, 개구부 위치가 오른쪽인 경우는 상승 유동, 개구부 위치가 왼쪽인 경우는 하강 유동이 나타나고, 개구부 위치가 왼쪽(상승 유동이 나타나는 영역에서 먼 위치의 개구부 조건)인 경우가 오른쪽(상승 유동이 나타나는 영역에 가까운 위치의 개구부 조건)인 경우보다 질량 유량이 적은 것으로 판단된다.
3.2 구획실 내 평균 온도
Figure 7에 모든 조건에 대한 구획실 내 평균 온도를 나타내었다. 평균 온도의 경우 T1~T3에서 측정한 모든 온도를 평균하여 도출하였다. 전체적으로 구획실 높이가 11 m인 경우가 5.5 m인 경우에 비해 개구부를 통한 질량 유량이 적음에도 불구하고 구획실 내 평균 온도가 낮은 것으로 나타났다.
천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 시 구획실 내 고온의 가스 온도를 예측하기 위한 에너지 평형 방정식은 식(1)(13)과 같이 표현될 수 있다. 즉, 식(1)(13)에 나타낸 바와 같이 화원에서 발생한 열방출률(Q̇, kW)은 개구부를 통과하는 가스의 유출로 인한 열손실(q̇l,g, kW)과 구획실 주변 벽을 통한 열손실(q̇,l,b, kW)의 합으로 표현할 수 있다.
여기서, ṁg와 cp 는 각각 개구부를 통과하는 가스의 질량 유량(kg/s)과 비열(kJ/kg⋅K)을 의미한다. 그리고AT는 구획실 주변 벽의 면적(m2)을 의미하고, Tg와 Ta 는 각각 고온의 가스와 주변의 가스 온도(K 또는 °C)를 나타낸다. hk 는 구획실 주변 벽의 유효 열전달 계수(effective heat transfer coefficient, kW/m2⋅K)를 의미하고, 시간(t, s)과 식(2)(13)의 열침투시간(thermal penetration time, tp, s) 간 비교를 통해 식(3)(13) 또는 식(4)(13)에 의해 결정된다.
여기서, d, α, k, ρ,c는 각각 구획실 벽의 두께(m), 열확산계수(m2/s), 열전도도(kW/m2), 밀도(kg/m3), 비열(kJ/kg⋅K)을 나타낸다. 한편, 식(1)(13)을 고온 가스층 온도 상승(ΔTg=Tg-Ta)으로 정리하면 식(5)(13)와 같이 표현된다.
식(5)(13)를 토대로 판단할 때, 동일한 열방출률 조건에서 질량 유량이 증가하고 구획실 주변 벽의 면적이 증가함에 따라 고온 가스층 온도 상승은 감소할 것으로 생각된다. 본 전산시뮬레이션 조건에서는 구획실 높이가 11 m인 경우가 5.5 m인 경우에 비해 구획실 내 평균 온도가 낮았다. 이는 구획실 높이가 11 m인 경우가 5.5 m인 경우에 비해 개구부 질량 유량은 적었으나(Figure 3), 구획실 높이 증가로 인해 구획실 주변 벽의 면적이 커졌기 때문으로 판단된다. 한편, 각 구획실 높이 조건에서 화원 및 개구부 위치에 따른 질량 유량 차이가 있음에도 불구하고 평균 온도 차이는 미미한 것으로 나타났다. 이는 본 전산시뮬레이션 조건에서 개구부를 통과하는 가스의 유출로 인한 열손실의 영향이 구획실 주변 벽을 통한 열손실의 영향보다 작다는 것을 의미한다고 생각된다.
한편, 천장 개구부가 설치된 구획실 내 화재 현상에 대한 이해 및 일반화, 연구 결과의 실제 적용을 위해서는 더욱 다양한 구획실 조건(높이, 바닥 면적, 형상 등), 화원 조건(열방출률, 크기, 위치, 개수 등), 개구부 조건(위치, 개수, 크기, 형상 등)에서의 추가적인 전산시뮬레이션 및 실험 연구가 수행되어야 할 것으로 판단되고, 추후 이에 대한 연구가 수행될 예정이다.
4. 결 론
본 연구에서는 천장 개구부가 설치된 구획실에서 구획실 높이와 화원 및 개구부 위치가 구획실 화재 현상에 미치는 영향에 대한 전산시뮬레이션 연구를 수행하였다. Kim과 Lee(11)의 연구를 토대로, 구획실 높이(5.5 m와 11 m), 화원 위치(구획실 바닥 중앙과 왼쪽)와 개구부 위치(천장 중앙, 왼쪽과 오른쪽)에 따른 개구부 질량 유량, 구획실 내 유동 분포 및 속도, 평균 온도를 검토하였다. 아래에 본 연구의 주요 결과를 요약하였다.
(1) 동일한 화원 및 개구부 위치 조건에서 구획실 높이가 5.5 m인 경우가 11 m인 경우에 비해 질량 유량이 많았다. 2가지 구획실에서 화원 위치가 중앙일 때, 개구부 위치가 중앙인 경우가 왼쪽인 경우에 비해 질량 유량이 많았다. 화원 위치가 왼쪽일 때, 구획실 높이가 5.5 m인 경우 개구부 위치가 왼쪽, 중앙, 오른쪽인 경우 순으로 질량 유량이 감소하였고, 구획실 높이가 11 m인 경우 개구부 위치가 왼쪽인 경우가 질량 유량이 가장 적었고, 중앙과 오른쪽인 경우는 유사한 것으로 나타났다.
(2) 화원 위치가 왼쪽일 때, 구획실 높이가 5.5 m인 경우에는 전체적으로 시계 방향의 거시적인 회전 유동이 관찰되었다. 반면, 구획실 높이가 11 m인 경우에는 구획실 하부와 상부에서 각각 시계 방향과 반시계 방향의 거시적인 회전 유동이 형성되었고, 구획실 상부에 형성되는 유동의 W-velocity 크기는 하부에 형성되는 W-velocity 크기에 비해 작은 것으로 나타났다. 한편, 2가지 구획실에서 관찰된 거시적인 회전 유동은 개구부 위치에 따른 질량 유량 경향과 밀접한 연관이 있는 것으로 판단하였다. 본 연구를 통해 구획실 높이가 구획실 내 화재 시 유동 현상에 영향을 미치고, 천장 개구부를 통과하는 질량 유량을 증대시키기 위한 화원과 개구부 간 상대적인 위치 조건이 구획실 높이에 따라 변화한다는 것을 확인하였다.
(3) 구획실 높이가 11 m인 경우가 5.5 m 경우에 비해 구획실 내 평균 온도가 낮았다. 이는 구획실 높이가 11 m인 경우가 5.5 m인 경우에 비해 개구부 질량 유량은 적었으나, 구획실 높이 증가로 인해 구획실 주변 벽의 면적이 커졌기 때문으로 판단된다. 한편, 각 구획실 높이 조건에서 화원 및 개구부 위치에 따른 질량 유량 차이가 있음에도 불구하고 평균 온도 차이는 미미하였는데 이는 본 전산시뮬레이션 조건에서 개구부를 통과하는 가스의 유출로 인한 열손실의 영향이 구획실 주변 벽을 통한 열손실의 영향보다 작다는 것을 의미한다고 생각된다.
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