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Jun 27, 2023

Investigación de las características bimodales de la distribución del tamaño de las gotas en el aerosol de condensación.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 12006 (2023) Cite este artículo 211 Accesos Detalles de métricas Para comprender el proceso de generación de gotitas en el aire durante la exhalación, este estudio

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 12006 (2023) Citar este artículo

211 Accesos

Detalles de métricas

Para comprender el proceso de generación de gotas en el aire durante la exhalación, este estudio investiga el mecanismo de las características bimodales de la distribución del tamaño de las gotas generadas en un flujo de pulverización condensado. El proceso de cambio de fase en el flujo de pulverización condensado se estimó basándose en la distribución del tamaño de las gotas medida por un analizador de partículas Doppler de fase y la distribución de temperatura medida por un termistor. En el eje central, la distribución de tamaño fue unimodal en el interior de la pulverización. Por el contrario, se observó una bimodalidad de la distribución de tamaño en el borde exterior del flujo de pulverización. En el borde de la corriente de pulverización se formó un gran gradiente de temperatura. Esto indica que se produjo activamente condensación en el borde exterior. Por la misma razón descrita anteriormente, la condensación no progresó en el centro de aspersión debido al consumo de vapor de agua en el borde exterior por la condensación, y el diámetro de la gota no cambió significativamente. Por lo tanto, debido a la diferencia en el proceso de cambio de fase local entre el centro y el borde exterior de la pulverización, pueden existir simultáneamente gotas grandes y pequeñas en la región media. Como resultado, la distribución del tamaño del spray de condensación es bimodal.

El COVID-19 se identificó por primera vez en la ciudad china de Wuhan a finales de 2019 y desde entonces se ha extendido por todo el mundo. Continúa mutando y devastando el mundo. Son medidas factibles y razonables evitar medidas “herméticas”, “densas” y “cerradas” en la etapa en la que no se ha establecido la contramedida, no solo para la enfermedad viral infecciosa del nuevo coronavirus, sino también para cualquier infección desconocida en el aire o por gotitas. La contramedida para la “hermeticidad” es la ventilación del espacio y la purificación del aire. Esta tecnología puede contribuir a la ingeniería mecánica y la ingeniería de fluidos. Wei y Li1 resumieron la infección por aerosoles en el ambiente interior. Mencionaron que la variedad de rutas de transmisión depende del diámetro de la gota. Por tanto, el transporte de gotas por el flujo de aire generado en el ambiente interior es esencial para diseñar y evaluar el sistema de ventilación. Al diseñar la disposición de sistemas de ventilación, sistemas de purificación de aire y esterilizadores, la ruta de difusión y el período de las gotas en el aire deben predecirse basándose en la teoría y el análisis numérico. En respuesta a este nuevo coronavirus, investigadores en el campo de la dinámica de fluidos computacional de todo el mundo están realizando análisis numéricos de gotitas. Stiehl et al.2 realizaron una simulación numérica del transporte y evaporación de gotitas descargadas al estornudar. Ah y otros. llevaron a cabo un análisis numérico de fluidos de ventilación interior3 y compararon numéricamente la eficiencia de eliminación de gotas y núcleos de gotas causados ​​por la tos entre la ventilación mecánica y la ventilación natural. El grupo de investigación dirigido por Tsubokura también reprodujo numéricamente la dispersión de gotas y aerosoles y los efectos de la ventilación en diversos ambientes interiores4 y barbacoas al aire libre5, mediante un análisis numérico a gran escala utilizando Fugaku6. Además, se simuló el transporte de gotas en muchas situaciones, como el aula7, el restaurante8, el autobús urbano9, el avión10 y el sistema de aire acondicionado11.

En el análisis de la dinámica de fluidos computacional, el movimiento de las gotas se siguió de manera lagrangiana utilizando una ecuación de movimiento que considera la fuerza aerodinámica en función de la velocidad relativa con el aire circundante para cada gota. La velocidad y posición de las gotas se obtuvieron mediante el seguimiento del tiempo5. Para las gotas generadas desde la boca, la variación temporal del caudal y la distribución del tamaño de las gotas de la fonación y la tos se dan como condiciones límite basadas en los datos medidos en los experimentos. Como ejemplo de modelos de gotas, Bale et al. utilizó un modelo parlante4. Además, existen varios modelos de gotas basados ​​en mediciones reales, como un modelo de tos12,13, un modelo de estornudo14, un caso en el que la boca está abierta y cerrada incluso al toser14, una conversación a volumen normal y una conversación en voz alta5. . Como se muestra en estos modelos, las variaciones en el número de gotas y el caudal se ven afectadas por el idioma, la forma de hablar y las diferencias individuales, y la diferencia depende significativamente de la literatura. Para realizar un análisis con dinámica de fluidos computacional que coincida más estrechamente con los fenómenos reales, se deben recopilar más datos medidos y se debe construir una base de datos con gotas modelo que sean más profundas, como la generación de gotas en el tracto respiratorio15.

Las gotitas que transmiten infecciones se liberan del tracto respiratorio mediante actividades respiratorias, como toser, estornudar, hablar y respirar. Se considera que las gotitas respiratorias se generan por los siguientes mecanismos: inestabilidad de las ondas superficiales inducida por cizallamiento en el líquido que recubre las vías respiratorias16, modo de la cavidad bucal17, rotura de la película en la rama bronquiolar18. Las escalas de tiempo de una sola gota se estimaron mediante la combinación de evaporación y comportamiento de caída por gravedad19,20. Vejerano y Marr21 evaluaron las características físico-químicas que influyen en el virus en una gota durante la evaporación. Los estudios anteriores se centraron en el comportamiento de una sola gota; sin embargo, las gotas generadas tienen una amplia distribución de tamaño con diámetros que van desde menos de un micrómetro hasta varios cientos de micrómetros. Utilizando estos datos, de Oliveira et al.22 evaluaron la actividad viral en la gota utilizando un modelo de transferencia de masa por evaporación. Johnson et al.23 midieron la distribución del tamaño de los aerosoles generados al toser y hablar. Además, Morawska et al.24 midieron tanto la distribución del tamaño como la concentración de las gotas durante las actividades espiratorias. Almstrand et al.25 midieron las partículas exhaladas utilizando un contador óptico de partículas en el rango de 0,3 a 2,0 \(\upmu \hbox {m}\). Lindsley y cols. También midió la distribución del tamaño de los aerosoles generados al toser y hablar. Informaron que el número promedio de gotas generadas fue de 75.400 al inicio de la enfermedad y de 52.200 al inicio de la enfermedad26. Asadi et al. informaron que se generan alrededor de 1 a 50 gotas por segundo dependiendo del volumen de la voz simplemente al hablar, incluso si la actividad respiratoria no es tan intensa como toser o estornudar y no es visible27. En cuanto a las características de tamaño de los aerosoles, incluido el SARS-CoV-2, Liu et al. investigaron un hospital en la ciudad de Wuhan, China, donde se produjo una infección masiva y reportaron picos de 0,25 a 1,0 \(\upmu \hbox {m}\) y 1 \(\upmu \hbox {m}\) o más28.

Como se describió anteriormente en varios casos, aunque existen diferencias debido a la tos, los estornudos, la conversación, el lenguaje y diferencias individuales en las gotitas descargadas de la boca, una característica común es que la distribución del tamaño de las gotitas es bimodal5,28. Por el contrario, es bien conocido que en un flujo de aspersión en el que el líquido se descarga desde una boquilla a alta velocidad y se forma por la atomización del líquido causada por la inestabilidad de la interfaz gas-líquido, hay un único pico en la distribución de tamaño. de gotas atomizadas29,30,31. Se puede considerar que la distribución del tamaño de las gotas es bimodal porque los procesos de atomización y evaporación/condensación se ven afectados por varios factores como la forma de la cavidad bucal, el caudal de descarga inestable, la viscosidad de la saliva, el efecto coloide de una materia extraña sólida como bacterias y diferencias de temperatura y presión entre el cuerpo y el aire exterior. Entre estos procesos elementales, se desconoce el cambio de fase, especialmente la formación y crecimiento de gotas por condensación. Como el aire exhalado contiene una gran cantidad de vapor de agua, comprender el proceso mediante el cual el vapor de agua se condensa en el aire puede ayudar a comprender la formación de aerosoles. Dado que el crecimiento de las gotas por condensación se desarrolla en el espacio, es esencial evaluar el cambio espacial del diámetro de las gotas y la distribución del tamaño de las partículas.

Por lo tanto, en este estudio, se llevó a cabo un experimento fundamental del flujo de aspersión generado por la condensación de vapor de agua con enfoque en los procesos de evaporación y condensación. Se centró especialmente en la variación espacial de las características de las gotas. En la boquilla de condensación, el vapor a alta temperatura y alta presión se descarga a la atmósfera a temperatura ambiente, y la condensación forma niebla acompañada de una disminución de la temperatura. Para el flujo de pulverización de condensación, la distribución del tamaño del diámetro de la gota y la velocidad del flujo se midieron utilizando un analizador de partículas Doppler de fase (PDPA). También se midió la distribución espacial de la temperatura. Con base en los datos de las mediciones, se discutió el mecanismo de formación de la bimodalidad de la distribución de tamaños.

La Figura 1a muestra un esquema del sistema de generación de pulverización condensada. El sistema experimental constaba de un tanque de presión, una boquilla rociadora, una bomba de émbolo y dispositivos de medición. El tanque de presión almacenó agua a temperaturas superiores a 100 \(^{\circ }\hbox {C}\), y el caudal se controló operando una válvula instalada entre el tanque de presión y la boquilla rociadora. Se usó una bomba de émbolo para transferir agua a 90 \(^{\circ }\hbox {C}\) al tanque de presión. El tanque de presión se calentó usando un calentador equipado con un controlador de temperatura. Además, el calentador calentó la tubería de transferencia entre el tanque de presión y la boquilla rociadora para evitar la condensación de vapor dentro de la tubería y la boquilla. La Figura 1b muestra la vista en sección transversal de la boquilla rociadora. El diámetro interior de la entrada era de 4,8 mm de diámetro y el canal se contraía en forma de cono con un ángulo de vértice de 118 \(^{\circ }\) en 1 mm de diámetro.

El tanque de presión se llenó con agua destilada y se calentó a 120 \(^{\circ }\hbox {C}\). El vapor se descargó a la atmósfera abriendo la válvula conectada a la boquilla. El vapor descargado se expandió y enfrió después de pasar a través de la boquilla, y se formó una gota por condensación. En este estudio, se midieron la distribución del tamaño de las gotas, la velocidad de las gotas y la temperatura como características del flujo de aspersión. La Figura 1c muestra la definición de las coordenadas y puntos de medición.

La Figura 1d muestra la configuración experimental para el spray de atomización. La pulverización producida por este sistema es una salida de líquido a alta presión que se fragmenta en gotas debido a la inestabilidad del líquido. El proceso de atomización del spray de condensación se analiza comparando los resultados de la condensación y la atomización. El diámetro de la boquilla fue de 20 \(\upmu \hbox {m}\), y se roció agua destilada a 10 MPa y 10 mL/min.

Descripciones de sistemas experimentales y definición de puntos de medida.

Un PDPA es un método de medición sin contacto que permite la medición simultánea del diámetro y la velocidad unidireccional de cada gota mientras pasa una gota en un volumen de inspección formado por dos rayos láser. Se utilizó el sistema de medición producido por Dantec Dynamics Co. Ltd. Se utilizó un láser Ar de 514,5 nm. En cada ubicación espacial, se tomaron muestras de 10.000 gotas en cada ubicación espacial. Para el análisis estadístico, se adaptó el percentil 85% para filtrar los valores atípicos. El diámetro medio de Sauter se evaluó como el valor representativo de la distribución del tamaño de las gotas, expresado por la siguiente ecuación:

donde \(d_i\) denota el diámetro de la gota y \(n_{i}\) representa el número de gotas con el diámetro \(d_i\).

La temperatura local dentro del flujo de pulverización se midió usando una sonda termistor (N317/BR14KA103K/23300/RPS/3/SP, Nikkiso-Thermo Co., Ltd.). El chip del termistor está encerrado con epoxi en un tubo de poliimida y el diámetro exterior de la posición de detección es de 0,6 mm. La resistencia eléctrica del termistor se midió utilizando un multímetro digital (DMM4040, Tektronix Co., Ltd.). La posición espacial de la sonda termistor se ajustó utilizando una etapa XZ.

La Figura 2 muestra una instantánea del rocío de condensación y la Figura 3 muestra el ejemplo de distribución espacial de la velocidad promedio en la dirección z. La velocidad axial varía desde 53,0 m/s a la salida de la tobera hasta 4,75 m/s, que es la velocidad terminal.

Fotografía del spray de condensación.

Distribución de velocidad direccional del eje del flujo de pulverización condensado.

La Figura 4 muestra la distribución del tamaño de las gotas en el flujo de pulverización en cada posición espacial. Aquí, se observan pequeños picos alrededor de 80 \(\upmu \hbox {m}\) en casi todas las distribuciones. Estos picos corresponden al error de sesgo específico en el sistema PDPA utilizado. Las barras representan el recuento de gotas para cada diámetro y la línea está determinada por la estimación de la densidad del núcleo con un núcleo gaussiano.

Primero, en x = 0 mm, la forma de la distribución no cambia en ningún z, y las gotas menores de 20 \(\upmu \hbox {m}\) son dominantes. Además, en z = 176 mm, que es suficientemente aguas abajo, se encuentran distribuciones similares en todas las ubicaciones x. En otras palabras, la distribución del tamaño de la pulverización es uniforme en el espacio suficientemente situado aguas abajo.

Por el contrario, los valores medidos de la posición (x, z) = (12 mm, 10 mm), (12 mm, 50 mm) y (16 mm, 50 mm) en el borde exterior de la pulverización muestran una distribución de tamaño bimodal. . Además de las gotas de 20 \(\upmu \hbox {m}\) o menos, que se observan en otros puntos, se forma una distribución con un pico de alrededor de 30-50 \(\upmu \hbox {m}\).

Distribuciones de tamaño del flujo de pulverización condensado en puntos espaciales específicos.

La Figura 5 muestra la escala de tiempo de evaporación y la velocidad axial promedio en el eje central. El tiempo promedio transcurrido de la gota en la posición z se calcula mediante la siguiente ecuación.

La ordenada de la Fig. 5 es el área de superficie normalizada basada en la gota inicial. Como se muestra en la Fig. 5, el área de superficie de las gotas disminuye linealmente hasta 1 ms y la tendencia sigue la ley \(d^2\).

La superficie promedio disminuyó casi 0,6 en la etapa inicial y aumentó después de 1 ms. Posteriormente volvió a disminuir hasta un valor de alrededor de 0,4.

La Figura 6a muestra la distribución del diámetro medio Sauter del spray condensado a lo largo del eje x. Además, los resultados generales de la boquilla de atomización de líquidos producidos por el experimento (Fig. 1d) se muestran en la Fig. 6b para comparar el proceso de atomización. La pulverización producida por esta boquilla es una salida de líquido a alta presión que se fragmenta en gotas debido a la inestabilidad del líquido. En el caso de pulverización condensada, el diámetro de la gota en el borde exterior de la pulverización tiene un valor máximo significativo en un punto a 50 mm del eje z, y luego disminuye hacia abajo. En z = 176 mm, el diámetro medio de Sauter se vuelve uniforme en la dirección x, como en los resultados anteriores. Sin embargo, en el caso del spray atomizado, el diámetro medio de Sauter no cambia mucho en el espacio, en comparación con el del spray condensado.

Variación temporal del área superficial promediada de las gotas y la velocidad axial en el eje central.

Distribución espacial del diámetro medio de Sauter.

La Figura 7 muestra la distribución espacial de la temperatura de un flujo de pulverización condensado. Aquí se muestra la diferencia de temperatura con respecto a la temperatura ambiente. Debido a que el vapor dentro de la boquilla es de 120 \(^{\circ }\hbox {C}\), la temperatura es alta inmediatamente después de la pulverización, pero desciende rápidamente. En el eje z, la temperatura disminuye gradualmente, mientras que la temperatura alrededor de la pulverización disminuye rápidamente hasta aproximadamente la temperatura ambiente. A continuación, se examinan en detalle las distribuciones de temperatura en las direcciones x y z.

La Figura 8 muestra la variación de temperatura desde la salida de la boquilla hasta 100 mm aguas abajo del eje z. También se representa el cambio en el diámetro medio de Sauter calculado en la Fig. 6a. Se puede observar que la temperatura disminuye monótonamente a lo largo del eje z. Por el contrario, el diámetro medio de Sauter disminuye hasta un valor extremo hasta 100 mm aguas abajo y luego aumenta.

La Figura 9 muestra las distribuciones radiales de temperatura a 10, 50 y 100 mm a lo largo del eje z. También se traza la distribución espacial de los diámetros medios de Sauter que se muestran en la Fig. 6a. En el eje central de la pulverización en todas las posiciones, la temperatura es la más alta y el diámetro medio de Sauter es el más bajo. Se puede observar que el diámetro medio de Sauter aumenta al disminuir la temperatura en la dirección x. En una posición mucho más alejada en la dirección x se forma una zona en la que la temperatura es inferior a la temperatura ambiente.

Distribución espacial de la variación de temperatura con respecto a la temperatura ambiente en el flujo de pulverización de condensación.

Distribución de velocidad direccional del eje del flujo de pulverización condensado.

Distribución de velocidad direccional del eje del flujo de pulverización condensado.

Como se describe en la introducción, investigaciones anteriores han sugerido que la distribución del tamaño de las gotas generadas durante la espiración tiene características bimodales. En este estudio, como se muestra en la Fig. 4, se observó bimodalidad en la distribución de tamaño en las posiciones de (12 mm, 10 mm), (12 mm, 50 mm) y (16 mm, 50 mm) del aerosol condensado. fluir. Aquí se consideran la formación de bimodalidad y el proceso de crecimiento de gotas en el flujo de pulverización condensado.

En primer lugar, se discute la formación de la bimodalidad a partir de la variación de las cantidades físicas en la dirección radial. La Figura 10 muestra una descripción general de esta discusión. Como se muestra en la Fig. 10, el centro del flujo de pulverización condensado está a alta temperatura y la temperatura disminuye hacia el borde exterior. Se considera que las gotas y el vapor de agua se enfrían en el punto donde la temperatura baja y las gotas crecen. Por lo tanto, en esta región se genera una gota grande correspondiente al segundo pico.

Esquema de la distribución de cantidades físicas en la dirección radial para explicar el mecanismo de formación de la bimodalidad.

Debido a que el vapor de agua en el flujo de aspersión se consume activamente en esta región debido al crecimiento de gotas, el vapor de agua debe transportarse desde la región central a la región de condensación activa. En otras palabras, la cantidad de vapor de agua necesaria para el crecimiento de las gotas es insuficiente alrededor de la región de condensación. En la posición central a lo largo del eje z, la gota permanece pequeña, como lo muestra la variación en el diámetro medio de Sauter en las Figs. 5 y 8. La ausencia de crecimiento de gotas por condensación a pesar de la disminución de la temperatura sugiere que la humedad no está sobresaturada en esta región. Para la variación a lo largo del eje z, el diámetro medio de Sauter disminuye ligeramente hasta 30 mm aguas abajo, y aquí es posible la evaporación como se muestra en la Fig. 5.

Como se muestra en la Fig. 9, al pie de la distribución de temperatura, se confirma la región de temperatura más baja que la temperatura ambiente. Se considera que en esta región existe un descenso de temperatura debido a la evaporación de las gotas. Aquí la evaporación de las gotas se produce debido a la baja humedad; como resultado, la temperatura disminuye más que la temperatura ambiente. En z = 100 mm, la medición de PDPA se realizó hasta x = 14 mm y no se observó bimodalidad en la distribución de tamaño, como se muestra en la Fig. 4. Sin embargo, como se infiere de la distribución de temperatura, puede existir una condición bimodal afuera. x = 14 mm. Como se muestra en la Fig. 4, los diámetros medios de Sauter fueron uniformes en la dirección del eje x 176 mm aguas abajo. Aunque no se midió la temperatura en z = 176 mm, se asumió que el exceso de vapor de agua ya había sido consumido por el desarrollo de las gotas debido a la condensación, y la evaporación era dominante.

Por lo tanto, en el flujo de pulverización de condensación, hay dos regiones en el interior: el borde exterior de la pulverización, donde las gotas de gran diámetro aumentan debido a la condensación, y el centro de pulverización, donde las gotas de pequeño diámetro aumentan debido a la evaporación a altas temperaturas. La bimodalidad de la distribución de tamaño debe formarse sumando ambas distribuciones de tamaño de gota. La Figura 11 muestra esquemáticamente la estructura tridimensional del flujo de pulverización de gotas condensadas. Se considera que la evaporación se promueve en el centro de la región de pulverización debido a la humedad relativamente baja causada por el flujo de vapor de agua, y los cambios de condensación se producen en el borde exterior de la región de pulverización, donde el tamaño de las partículas aumenta. La bimodalidad de la distribución de tamaños se puede detectar en un punto ubicado entre las dos regiones.

Esquema de la estructura tridimensional de la región de cambio de fase en el flujo de pulverización de condensación.

La exhalación se acompaña de una compleja estructura de vórtice en el momento de la exhalación, como se muestra en el proceso de expulsión de tos y estornudos presentado por Gupta et al.13 Cuando las gotas siguen la distribución bimodal generada con el proceso de condensación y evaporación mostrado en este estudio. son transportados por el complicado flujo espiratorio, se debe promover más la bimodalidad en el espacio.

Este estudio investigó el mecanismo de las características bimodales en la distribución del tamaño de las gotas generadas en el aire exhalado. El proceso de cambio de fase en un flujo de pulverización condensado se estimó en función de las mediciones de distribución del tamaño de las gotas y de la distribución de temperatura utilizando PDPA. Los hallazgos son los siguientes:

En el eje central, se observó un único pico en el interior de la pulverización. Se observó bimodalidad en la distribución de tamaño en el borde exterior del flujo de pulverización. Indica que había condensación activa en el borde exterior. Por el contrario, como la distribución de tamaño fue espacialmente uniforme en \(z =\) 176 mm aguas abajo de la pulverización, se supone que las gotas han alcanzado un estado de equilibrio.

Antes de la corriente de pulverización condensada la temperatura exterior a la pulverización era inferior a la temperatura ambiente. En esta región, se considera que el vapor de agua en el espacio se consume en la región mencionada anteriormente donde la condensación está activa de modo que la humedad relativa disminuye y la temperatura disminuye debido a la evaporación de las gotas.

Por la misma razón descrita anteriormente, la condensación no progresó en la parte central de pulverización debido al consumo de vapor de agua en la parte de condensación en el borde exterior, y el diámetro de la gota no cambió significativamente. Así, en esta región se mantuvieron gotas de casi 20 \(\upmu \hbox {m}\) de diámetro.

Este estudio debería contribuir a la comprensión de la formación de aerosoles al mostrar que la distribución de tamaño bimodal ocurre en la formación de gotas por condensación y evaporación y que es causada por la variación espacial del aerosol condensado.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Instituto de Ciencias de Fluidos, Universidad de Tohoku, Sendai, 980-8579, Japón

Junnosuke Okajima, Mitsuki Kato, Akihiro Hayakawa y Yuka Iga

División de Ingeniería Mecánica, Universidad de Tohoku, Sendai, 980-8579, Japón

Mitsuki Kato

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JO: experimento, análisis de datos, redacción del manuscrito; MK: experimento, análisis de datos; AH: experimento, revisión del manuscrito; YI: concepción, interpretación, revisión del manuscrito.

Correspondencia a Junnosuke Okajima.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Okajima, J., Kato, M., Hayakawa, A. et al. Investigación de las características bimodales de la distribución del tamaño de las gotas en la pulverización de condensación. Informe científico 13, 12006 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39087-5

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Recibido: 07 de enero de 2023

Aceptado: 20 de julio de 2023

Publicado: 25 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39087-5

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