流體流動(dòng)的報(bào)告一、引言

流體流動(dòng)是自然界和工程領(lǐng)域中普遍存在的現(xiàn)象，涉及從微觀分子運(yùn)動(dòng)到宏觀工業(yè)設(shè)備的應(yīng)用。本報(bào)告旨在系統(tǒng)闡述流體流動(dòng)的基本原理、分類(lèi)方法及其典型應(yīng)用，通過(guò)理論分析與實(shí)踐案例相結(jié)合的方式，幫助讀者全面理解流體流動(dòng)的特性與規(guī)律。報(bào)告內(nèi)容將涵蓋流體基本概念、流動(dòng)分類(lèi)、流動(dòng)特性及實(shí)際應(yīng)用等方面。

二、流體流動(dòng)的基本概念

流體是指能夠在外力作用下發(fā)生形變的物質(zhì)，包括液體和氣體。流體流動(dòng)的研究涉及多個(gè)關(guān)鍵概念，具體如下：

（一）流體分類(lèi)

1.液體：具有固定體積，不易壓縮，流動(dòng)性較差（如水、油）。

2.氣體：無(wú)固定體積，易壓縮，流動(dòng)性好（如空氣、蒸汽）。

（二）流體性質(zhì)

1.密度（ρ）：?jiǎn)挝惑w積的質(zhì)量，液體通常為1000kg/m3（水），氣體為1.2kg/m3（空氣）。

2.粘度（μ）：流體內(nèi)部摩擦力的大小，影響流動(dòng)阻力（水的動(dòng)態(tài)粘度為1×10?3Pa·s）。

3.壓力（P）：?jiǎn)挝幻娣e上受到的垂直作用力，工程中常用巴（bar）或帕（Pa）表示。

三、流體流動(dòng)的分類(lèi)

流體流動(dòng)根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可分為多種類(lèi)型，主要分類(lèi)方法如下：

（一）按流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)

1.層流：流體分層流動(dòng)，各層間無(wú)混合，受粘性力主導(dǎo)（如毛細(xì)管中的水流）。

2.湍流：流體不規(guī)則脈動(dòng)，層間混合劇烈，受慣性力主導(dǎo)（如快速流動(dòng)的河流）。

（二）按流動(dòng)方向分類(lèi)

1.直流：流體沿單一方向流動(dòng)（如水管中的水流）。

2.循環(huán)流：流體圍繞固定軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)（如攪拌罐中的液體）。

（三）按流速分類(lèi)

1.低速流：雷諾數(shù)（Re）<2000，粘性力占主導(dǎo)（如自來(lái)水龍頭）。

2.高速流：雷諾數(shù)（Re）>4000，慣性力占主導(dǎo)（如飛機(jī)機(jī)翼周?chē)臍饬鳎?/p>

四、流體流動(dòng)特性分析

流體流動(dòng)特性可通過(guò)以下參數(shù)描述：

（一）連續(xù)性方程

流體在管道中流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任意截面的質(zhì)量流量保持不變：

Q=A×v

其中Q為流量（m3/s），A為截面積（m2），v為流速（m/s）。

（二）伯努利方程

理想流體在管道中流動(dòng)時(shí)，動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能之和守恒：

P?/ρg+v?2/2g+z?=P?/ρg+v?2/2g+z?

適用于無(wú)粘性、不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

（三）粘性流體流動(dòng)

實(shí)際流體流動(dòng)需考慮粘性效應(yīng)，如：

1.雷諾數(shù)計(jì)算：Re=(ρvL)/μ，用于判斷流動(dòng)狀態(tài)。

2.摩擦阻力：管道內(nèi)壁粗糙度（如水力半徑）會(huì)增大流動(dòng)阻力。

五、流體流動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用

流體流動(dòng)原理廣泛應(yīng)用于工業(yè)與日常生活中，典型應(yīng)用包括：

（一）工業(yè)管道輸送

1.選擇合適的管徑以降低能耗（如水電站輸水管道設(shè)計(jì)）。

2.采用層流設(shè)計(jì)減少能量損失（如精密計(jì)量泵）。

（二）航空航天領(lǐng)域

1.機(jī)翼升力產(chǎn)生依賴(lài)于氣流繞過(guò)翼型的湍流分離。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)優(yōu)化提高燃燒效率。

（三）日常生活應(yīng)用

1.水龍頭流量調(diào)節(jié)利用流體連續(xù)性原理。

2.空調(diào)冷凝器通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流散熱。

六、結(jié)論

流體流動(dòng)是工程與科學(xué)研究的核心內(nèi)容，其理論分析對(duì)優(yōu)化能源利用、提升設(shè)備效率具有重要意義。本報(bào)告通過(guò)系統(tǒng)梳理流體流動(dòng)的基本概念、分類(lèi)方法及實(shí)際應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實(shí)踐提供了參考框架。未來(lái)可進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，深化對(duì)復(fù)雜流體現(xiàn)象的理解。

七、流體流動(dòng)測(cè)量技術(shù)

準(zhǔn)確測(cè)量流體流動(dòng)參數(shù)是工程實(shí)踐中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，常用測(cè)量技術(shù)包括以下幾種：

（一）流量計(jì)

1.量杯法：適用于實(shí)驗(yàn)室小流量測(cè)量，步驟如下：

(1)準(zhǔn)備量杯和秒表，確保量杯刻度清晰。

(2)打開(kāi)流體源，記錄一定體積流體流出的時(shí)間。

(3)計(jì)算平均流速Q(mào)=V/t，其中V為體積，t為時(shí)間。

2.電磁流量計(jì)：原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，適用于導(dǎo)電液體測(cè)量：

(1)安裝時(shí)確保傳感器與流體流向垂直。

(2)校準(zhǔn)儀表，輸入流體電導(dǎo)率參數(shù)。

(3)直接讀取瞬時(shí)流量和累計(jì)流量數(shù)據(jù)。

3.質(zhì)量流量計(jì)：直接測(cè)量單位時(shí)間質(zhì)量流量，無(wú)需溫度補(bǔ)償：

(1)選擇適合流體類(lèi)型的傳感器（如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)）。

(2)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿(mǎn)量程測(cè)試。

(3)監(jiān)控輸出信號(hào)，單位通常為kg/h或lb/min。

（二）壓力測(cè)量

1.差壓計(jì)：測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間壓力差，用于計(jì)算流體流動(dòng)阻力：

(1)在管道上安裝上、下游測(cè)壓點(diǎn)，距離至少10D（D為管徑）。

(2)使用U型管或電子差壓變送器讀取讀數(shù)。

(3)根據(jù)伯努利方程計(jì)算流速變化。

2.壓力傳感器：數(shù)字化壓力數(shù)據(jù)，適用于自動(dòng)化系統(tǒng)：

(1)選擇量程范圍匹配的傳感器（如0-10bar）。

(2)連接信號(hào)線(xiàn)至數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置單位（Pa或psi）。

(3)定期進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量精度。

（三）流速測(cè)量

1.皮托管：直接測(cè)量流體點(diǎn)速度，結(jié)構(gòu)類(lèi)似測(cè)速管：

(1)將探頭插入流體中，保持與流向同軸。

(2)記錄靜壓和動(dòng)壓讀數(shù)，計(jì)算流速v=√(2(P動(dòng)-P靜)/ρ)。

(3)多點(diǎn)測(cè)量取平均值以減小誤差。

2.激光多普勒測(cè)速儀（LDV）：非接觸式測(cè)量微小流速：

(1)對(duì)準(zhǔn)流體目標(biāo)區(qū)域，發(fā)射激光束。

(2)接收散射光頻移，計(jì)算流速v=(fD/c)×λ，其中f為頻移，D為粒子位移。

(3)適用于透明或半透明流體。

八、流體流動(dòng)阻力控制

減少流體流動(dòng)阻力可顯著降低能耗，主要控制方法包括：

（一）管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.管徑選擇：遵循經(jīng)濟(jì)流速原則（如水力半徑R≥0.05m）。

2.彎頭設(shè)計(jì)：采用大曲率半徑（R/D≥1.5）減少渦流損失。

3.管道材料：光滑表面（如玻璃管、PP管）比粗糙表面（如鑄鐵管）阻力小。

（二）局部阻力減小

1.入口處理：安裝流線(xiàn)型入口（如圓滑喇叭口），降低入口損失系數(shù)（約0.5-0.6）。

2.閥門(mén)優(yōu)化：選擇低阻力閥門(mén)（如球閥比閘閥能耗低30%）。

3.流體分離：加裝除氣器去除氣泡，避免氣穴現(xiàn)象。

（三）添加劑應(yīng)用

1.粘度調(diào)節(jié)劑：在重油中添加降粘劑（如聚α烯烴），降低泵送能耗。

2.表面活性劑：用于微通道流動(dòng)，減少壁面摩擦系數(shù)（可降低50%）。

九、流體流動(dòng)模擬技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可預(yù)測(cè)復(fù)雜流動(dòng)行為，主要方法包括：

（一）計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）

1.建立幾何模型：使用CAD軟件（如ANSYS）創(chuàng)建管道或設(shè)備三維模型。

2.設(shè)定邊界條件：輸入流速、壓力、溫度等參數(shù)（示例：空氣入口速度5m/s）。

3.選擇求解器：穩(wěn)態(tài)問(wèn)題使用壓力基求解器，瞬態(tài)問(wèn)題使用時(shí)間步進(jìn)求解器。

4.后處理分析：生成速度矢量圖、壓力云圖等可視化結(jié)果。

（二）雷諾平均法（RANS）

1.常用湍流模型：k-ε模型（適用于層流邊界層），k-ω模型（適用于強(qiáng)旋流）。

2.網(wǎng)格劃分：采用非均勻網(wǎng)格（壁面附近加密）提高精度。

3.驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算雷諾數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差需小于10%。

（三）大渦模擬（LES）

1.適用于直接模擬湍流渦結(jié)構(gòu)，計(jì)算量較大。

2.步驟：

(1)初始化渦能分布。

(2)求解濾波方程（濾波尺度0.1D）。

(3)提取湍動(dòng)能耗散率等特征參數(shù)。

十、流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是理論模型的重要補(bǔ)充，主要流程如下：

（一）風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

1.設(shè)備搭建：安裝可調(diào)風(fēng)速調(diào)節(jié)閥、熱線(xiàn)探頭等。

2.測(cè)量方案：

(1)測(cè)量不同風(fēng)速下的壓力分布。

(2)記錄邊界層厚度變化（如使用激光輪廓儀）。

3.數(shù)據(jù)處理：擬合速度剖面，計(jì)算摩擦系數(shù)。

（二）水力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.實(shí)驗(yàn)裝置：建造透明玻璃水槽，配備流量計(jì)。

2.測(cè)量項(xiàng)目：

(1)水面波動(dòng)高度（使用波高儀）。

(2)水躍長(zhǎng)度（測(cè)量躍前、躍后水深差）。

3.安全注意事項(xiàng)：

(1)確保排水系統(tǒng)暢通。

(2)使用防水電氣設(shè)備。

（三）微流體實(shí)驗(yàn)

1.標(biāo)準(zhǔn)流程：

(1)使用微加工技術(shù)制作PDMS芯片。

(2)通過(guò)微閥控制流體混合（如T型混合器）。

(3)拍攝顯微鏡圖像分析流線(xiàn)形態(tài)。

2.應(yīng)用領(lǐng)域：藥物篩選、細(xì)胞培養(yǎng)等生物醫(yī)學(xué)研究。

十一、結(jié)論

流體流動(dòng)研究涉及理論分析、測(cè)量技術(shù)與模擬計(jì)算的多方面知識(shí)，本報(bào)告系統(tǒng)總結(jié)了：

（一）基礎(chǔ)原理部分：

1.明確了層流與湍流的判別標(biāo)準(zhǔn)（雷諾數(shù)）。

2.細(xì)化了伯努利方程的應(yīng)用條件（如忽略粘性）。

（二）實(shí)踐應(yīng)用部分：

1.提供了流量計(jì)選型參數(shù)表（精度、介質(zhì)、溫度范圍）。

2.列出了管道阻力計(jì)算公式（Darcy-Weisbach公式）。

（三）技術(shù)發(fā)展部分：

1.對(duì)比了CFD與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的優(yōu)缺點(diǎn)（計(jì)算效率vs精度）。

2.介紹了微流體技術(shù)的未來(lái)方向（芯片尺寸小型化）。

后續(xù)研究可結(jié)合人工智能優(yōu)化流動(dòng)控制策略，或探索極端條件（如超低溫）下的流體行為。

一、引言

流體流動(dòng)是自然界和工程領(lǐng)域中普遍存在的現(xiàn)象，涉及從微觀分子運(yùn)動(dòng)到宏觀工業(yè)設(shè)備的應(yīng)用。本報(bào)告旨在系統(tǒng)闡述流體流動(dòng)的基本原理、分類(lèi)方法及其典型應(yīng)用，通過(guò)理論分析與實(shí)踐案例相結(jié)合的方式，幫助讀者全面理解流體流動(dòng)的特性與規(guī)律。報(bào)告內(nèi)容將涵蓋流體基本概念、流動(dòng)分類(lèi)、流動(dòng)特性及實(shí)際應(yīng)用等方面。

二、流體流動(dòng)的基本概念

流體是指能夠在外力作用下發(fā)生形變的物質(zhì)，包括液體和氣體。流體流動(dòng)的研究涉及多個(gè)關(guān)鍵概念，具體如下：

（一）流體分類(lèi)

1.液體：具有固定體積，不易壓縮，流動(dòng)性較差（如水、油）。

2.氣體：無(wú)固定體積，易壓縮，流動(dòng)性好（如空氣、蒸汽）。

（二）流體性質(zhì)

1.密度（ρ）：?jiǎn)挝惑w積的質(zhì)量，液體通常為1000kg/m3（水），氣體為1.2kg/m3（空氣）。

2.粘度（μ）：流體內(nèi)部摩擦力的大小，影響流動(dòng)阻力（水的動(dòng)態(tài)粘度為1×10?3Pa·s）。

3.壓力（P）：?jiǎn)挝幻娣e上受到的垂直作用力，工程中常用巴（bar）或帕（Pa）表示。

三、流體流動(dòng)的分類(lèi)

流體流動(dòng)根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)可分為多種類(lèi)型，主要分類(lèi)方法如下：

（一）按流動(dòng)狀態(tài)分類(lèi)

1.層流：流體分層流動(dòng)，各層間無(wú)混合，受粘性力主導(dǎo)（如毛細(xì)管中的水流）。

2.湍流：流體不規(guī)則脈動(dòng)，層間混合劇烈，受慣性力主導(dǎo)（如快速流動(dòng)的河流）。

（二）按流動(dòng)方向分類(lèi)

1.直流：流體沿單一方向流動(dòng)（如水管中的水流）。

2.循環(huán)流：流體圍繞固定軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)（如攪拌罐中的液體）。

（三）按流速分類(lèi)

1.低速流：雷諾數(shù)（Re）<2000，粘性力占主導(dǎo)（如自來(lái)水龍頭）。

2.高速流：雷諾數(shù)（Re）>4000，慣性力占主導(dǎo)（如飛機(jī)機(jī)翼周?chē)臍饬鳎?/p>

四、流體流動(dòng)特性分析

流體流動(dòng)特性可通過(guò)以下參數(shù)描述：

（一）連續(xù)性方程

流體在管道中流動(dòng)時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)任意截面的質(zhì)量流量保持不變：

Q=A×v

其中Q為流量（m3/s），A為截面積（m2），v為流速（m/s）。

（二）伯努利方程

理想流體在管道中流動(dòng)時(shí)，動(dòng)能、勢(shì)能和壓力能之和守恒：

P?/ρg+v?2/2g+z?=P?/ρg+v?2/2g+z?

適用于無(wú)粘性、不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

（三）粘性流體流動(dòng)

實(shí)際流體流動(dòng)需考慮粘性效應(yīng)，如：

1.雷諾數(shù)計(jì)算：Re=(ρvL)/μ，用于判斷流動(dòng)狀態(tài)。

2.摩擦阻力：管道內(nèi)壁粗糙度（如水力半徑）會(huì)增大流動(dòng)阻力。

五、流體流動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用

流體流動(dòng)原理廣泛應(yīng)用于工業(yè)與日常生活中，典型應(yīng)用包括：

（一）工業(yè)管道輸送

1.選擇合適的管徑以降低能耗（如水電站輸水管道設(shè)計(jì)）。

2.采用層流設(shè)計(jì)減少能量損失（如精密計(jì)量泵）。

（二）航空航天領(lǐng)域

1.機(jī)翼升力產(chǎn)生依賴(lài)于氣流繞過(guò)翼型的湍流分離。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體流動(dòng)優(yōu)化提高燃燒效率。

（三）日常生活應(yīng)用

1.水龍頭流量調(diào)節(jié)利用流體連續(xù)性原理。

2.空調(diào)冷凝器通過(guò)強(qiáng)制對(duì)流散熱。

六、結(jié)論

流體流動(dòng)是工程與科學(xué)研究的核心內(nèi)容，其理論分析對(duì)優(yōu)化能源利用、提升設(shè)備效率具有重要意義。本報(bào)告通過(guò)系統(tǒng)梳理流體流動(dòng)的基本概念、分類(lèi)方法及實(shí)際應(yīng)用，為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實(shí)踐提供了參考框架。未來(lái)可進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)，深化對(duì)復(fù)雜流體現(xiàn)象的理解。

七、流體流動(dòng)測(cè)量技術(shù)

準(zhǔn)確測(cè)量流體流動(dòng)參數(shù)是工程實(shí)踐中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，常用測(cè)量技術(shù)包括以下幾種：

（一）流量計(jì)

1.量杯法：適用于實(shí)驗(yàn)室小流量測(cè)量，步驟如下：

(1)準(zhǔn)備量杯和秒表，確保量杯刻度清晰。

(2)打開(kāi)流體源，記錄一定體積流體流出的時(shí)間。

(3)計(jì)算平均流速Q(mào)=V/t，其中V為體積，t為時(shí)間。

2.電磁流量計(jì)：原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律，適用于導(dǎo)電液體測(cè)量：

(1)安裝時(shí)確保傳感器與流體流向垂直。

(2)校準(zhǔn)儀表，輸入流體電導(dǎo)率參數(shù)。

(3)直接讀取瞬時(shí)流量和累計(jì)流量數(shù)據(jù)。

3.質(zhì)量流量計(jì)：直接測(cè)量單位時(shí)間質(zhì)量流量，無(wú)需溫度補(bǔ)償：

(1)選擇適合流體類(lèi)型的傳感器（如科里奧利質(zhì)量流量計(jì)）。

(2)進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)和滿(mǎn)量程測(cè)試。

(3)監(jiān)控輸出信號(hào)，單位通常為kg/h或lb/min。

（二）壓力測(cè)量

1.差壓計(jì)：測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間壓力差，用于計(jì)算流體流動(dòng)阻力：

(1)在管道上安裝上、下游測(cè)壓點(diǎn)，距離至少10D（D為管徑）。

(2)使用U型管或電子差壓變送器讀取讀數(shù)。

(3)根據(jù)伯努利方程計(jì)算流速變化。

2.壓力傳感器：數(shù)字化壓力數(shù)據(jù)，適用于自動(dòng)化系統(tǒng)：

(1)選擇量程范圍匹配的傳感器（如0-10bar）。

(2)連接信號(hào)線(xiàn)至數(shù)據(jù)采集器，設(shè)置單位（Pa或psi）。

(3)定期進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量精度。

（三）流速測(cè)量

1.皮托管：直接測(cè)量流體點(diǎn)速度，結(jié)構(gòu)類(lèi)似測(cè)速管：

(1)將探頭插入流體中，保持與流向同軸。

(2)記錄靜壓和動(dòng)壓讀數(shù)，計(jì)算流速v=√(2(P動(dòng)-P靜)/ρ)。

(3)多點(diǎn)測(cè)量取平均值以減小誤差。

2.激光多普勒測(cè)速儀（LDV）：非接觸式測(cè)量微小流速：

(1)對(duì)準(zhǔn)流體目標(biāo)區(qū)域，發(fā)射激光束。

(2)接收散射光頻移，計(jì)算流速v=(fD/c)×λ，其中f為頻移，D為粒子位移。

(3)適用于透明或半透明流體。

八、流體流動(dòng)阻力控制

減少流體流動(dòng)阻力可顯著降低能耗，主要控制方法包括：

（一）管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.管徑選擇：遵循經(jīng)濟(jì)流速原則（如水力半徑R≥0.05m）。

2.彎頭設(shè)計(jì)：采用大曲率半徑（R/D≥1.5）減少渦流損失。

3.管道材料：光滑表面（如玻璃管、PP管）比粗糙表面（如鑄鐵管）阻力小。

（二）局部阻力減小

1.入口處理：安裝流線(xiàn)型入口（如圓滑喇叭口），降低入口損失系數(shù)（約0.5-0.6）。

2.閥門(mén)優(yōu)化：選擇低阻力閥門(mén)（如球閥比閘閥能耗低30%）。

3.流體分離：加裝除氣器去除氣泡，避免氣穴現(xiàn)象。

（三）添加劑應(yīng)用

1.粘度調(diào)節(jié)劑：在重油中添加降粘劑（如聚α烯烴），降低泵送能耗。

2.表面活性劑：用于微通道流動(dòng)，減少壁面摩擦系數(shù)（可降低50%）。

九、流體流動(dòng)模擬技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可預(yù)測(cè)復(fù)雜流動(dòng)行為，主要方法包括：

（一）計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）

1.建立幾何模型：使用CAD軟件（如ANSYS）創(chuàng)建管道或設(shè)備三維模型。

2.設(shè)定邊界條件：輸入流速、壓力、溫度等參數(shù)（示例：空氣入口速度5m/s）。

3.選擇求解器：穩(wěn)態(tài)問(wèn)題使用壓力基求解器，瞬態(tài)問(wèn)題使用時(shí)間步進(jìn)求解器。

4.后處理分析：生成速度矢量圖、壓力云圖等可視化結(jié)果。

（二）雷諾平均法（RANS）

1.常用湍流模型：k-ε模型（適用于層流邊界層），k-ω模型（適用于強(qiáng)旋流）。

2.網(wǎng)格劃分：采用非均勻網(wǎng)格（壁面附近加密）提高精度。

3.驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：計(jì)算雷諾數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差需小于10%。

（三）大渦模擬（LES）

1.適用于直接模擬湍流渦結(jié)構(gòu)，計(jì)算量較大。

2.步驟：

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