本文關(guān)鍵詞：高速壓氣機(jī)低速�；嗨茰�(zhǔn)則及軸向縫機(jī)匣處理流動(dòng)機(jī)理研究

  更多相關(guān)文章： 軸流壓氣機(jī) 軸向縫機(jī)匣處理 相似準(zhǔn)則 控制體方法 流動(dòng)損失 擴(kuò)穩(wěn)裕度

【摘要】：軸流壓氣機(jī)的性能和穩(wěn)定性很大程度決定了整個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總體性能。目前先進(jìn)的葉片設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)能大幅度提升壓氣機(jī)氣動(dòng)性能。然而,穩(wěn)定性問題仍是嚴(yán)重制約高性能壓氣機(jī)發(fā)展的瓶頸。機(jī)匣處理作為簡單且有效的被動(dòng)控制技術(shù),在工程中得到廣泛應(yīng)用。但受限于壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理尚未得到根本澄清,機(jī)匣處理設(shè)計(jì)很難形成普適方法,因此在針對(duì)特定壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要大量試驗(yàn)建立數(shù)據(jù)庫,時(shí)間和成本高昂。同時(shí),在高速壓氣機(jī)上進(jìn)行機(jī)匣處理試驗(yàn)具有很高的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低試驗(yàn)周期和風(fēng)險(xiǎn),本文將采用新的研究途徑,針對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)在部分轉(zhuǎn)速下不存在激波的工況,通過建立相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)低速大尺寸模型壓氣機(jī),將難度大、尺寸小的高速機(jī)匣處理轉(zhuǎn)換至低速大尺寸壓氣機(jī)上開展研究,將是摸清原型機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)機(jī)理的可能途徑。目前低速大尺寸模型壓氣機(jī)已經(jīng)成功應(yīng)用于高速壓氣機(jī)設(shè)計(jì)方法研究,而據(jù)作者所知,圍繞機(jī)匣處理在高速與低速壓氣機(jī)上的相似性研究鮮見報(bào)道。因此,本文研究思路也就面臨一些挑戰(zhàn)：一方面,如何保證高速與低速壓氣機(jī)上機(jī)匣處理具有相似的流動(dòng)規(guī)律；另一方面,在低速模型機(jī)上篩選出同時(shí)兼顧效率與穩(wěn)定裕度的機(jī)匣處理返回至高速原型機(jī)能否取得類似的效果。針對(duì)以上科學(xué)問題,本文的研究路線是：首先建立�；嗨茰�(zhǔn)則,對(duì)高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速�；O(shè)計(jì),保證低速與高速壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)相似。通過在低速壓氣機(jī)上對(duì)機(jī)匣處理開展詳實(shí)研究,摸清機(jī)匣處理下葉頂端區(qū)流動(dòng)損失變化,并進(jìn)一步澄清擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理。進(jìn)而,設(shè)計(jì)出能兼顧壓氣機(jī)效率和失速裕度的機(jī)匣處理優(yōu)化方案,通過相似變換最終應(yīng)用回高速壓氣機(jī)進(jìn)行效果驗(yàn)證。圍繞這一研究思路,本文主要工作內(nèi)容開展如下：1.高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)速工況的低速模化準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)方法研究本文選擇跨音壓氣機(jī)J69轉(zhuǎn)子在65%轉(zhuǎn)速下的峰值效率點(diǎn)作為研究工況,放棄馬赫數(shù)相似,建立針對(duì)跨音單轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的�；嗨茰�(zhǔn)則,設(shè)計(jì)了具有相似流動(dòng)特性的低速大尺寸壓氣機(jī)。通過對(duì)高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值求解,選取無量綱氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù),建立低速模化目標(biāo)。以高速葉型壓力／速度系數(shù)分布為目標(biāo),對(duì)低速壓氣機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì),并自主搭建立式低速大尺寸軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。先后通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)低速壓氣機(jī)模化結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明,低速壓氣機(jī)總體性能滿足設(shè)計(jì)要求,內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)的總體分布規(guī)律與設(shè)計(jì)目標(biāo)基本一致,低速模型壓氣機(jī)能夠較好的反映高速原型機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特點(diǎn)。2.軸向縫對(duì)低速壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工況葉頂端區(qū)流動(dòng)損失影響機(jī)理的研究為了設(shè)計(jì)出同時(shí)兼顧效率和穩(wěn)定性的機(jī)匣處理方案,以軸向縫這類實(shí)際應(yīng)用最廣泛的機(jī)匣處理形式作為研究對(duì)象,針對(duì)軸向縫幾何參數(shù)對(duì)低速壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率的影響開展研究。本文選取熵產(chǎn)作為表征壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)損失的物理量,以動(dòng)葉葉頂端區(qū)控制體為研究手段,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)動(dòng)葉葉頂端區(qū)流動(dòng)損失進(jìn)行了量化,并對(duì)軸向縫開口面上的流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,軸向縫的縫數(shù)、縫深和縫寬等幾何參數(shù)通過影響其開口面上的流動(dòng)參數(shù)來改變?nèi)~頂端區(qū)流動(dòng)損失的分布。同時(shí),葉頂端區(qū)的總損失越高,壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率降低越多,說明了壓氣機(jī)效率與葉頂端區(qū)流動(dòng)損失密切相關(guān)。通過在低速壓氣機(jī)上對(duì)篩選軸向縫方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了數(shù)值模擬較為合理的預(yù)測(cè)了軸向縫對(duì)壓氣機(jī)效率的影響規(guī)律。3.低速壓氣機(jī)近失速點(diǎn)葉頂端區(qū)的相似性分析與軸向縫擴(kuò)穩(wěn)研究機(jī)匣處理的主要設(shè)計(jì)目的是提高壓氣機(jī)的失速裕度,根據(jù)本團(tuán)隊(duì)對(duì)于葉尖先失速的一類壓氣機(jī),主流／泄漏流交界面自轉(zhuǎn)子前緣溢出觸發(fā)失速的機(jī)理,提出決定主流／泄漏流交界面位置的動(dòng)力學(xué)內(nèi)因是端區(qū)軸向動(dòng)量分布。采用控制體積分法,將葉頂端區(qū)軸向動(dòng)量沿軸向依次累加得到分布曲線。結(jié)果表明,對(duì)于所研究的低速壓氣機(jī),葉頂端區(qū)累加軸向動(dòng)量曲線的頂點(diǎn)能夠反映主流／泄漏流交界面的時(shí)空平均位置,可以采用動(dòng)量分析法對(duì)軸向縫擴(kuò)穩(wěn)能力進(jìn)行快速判斷。由于此方法是基于近失速點(diǎn)葉頂端區(qū)軸向動(dòng)量的分布,于是對(duì)低速與高速壓氣機(jī)近失速點(diǎn)下葉頂端區(qū)流動(dòng)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)二者葉頂負(fù)載分布仍具有較好的相似性,最終導(dǎo)致累加軸向動(dòng)量分布曲線基本一致。在此基礎(chǔ)上,通過對(duì)比篩選軸向縫下葉頂累加軸向動(dòng)量曲線峰值的大小和位置,快速評(píng)估了不同方案的擴(kuò)穩(wěn)效果。進(jìn)一步,通過對(duì)軸向縫開口面上軸向動(dòng)量徑向輸運(yùn)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)軸向縫擴(kuò)穩(wěn)效果與其開口面上軸向動(dòng)量輸運(yùn)的劇烈程度密切相關(guān)。4.低速軸向縫優(yōu)化方案的高速�；约霸诟咚賶簹鈾C(jī)上的效果驗(yàn)證根據(jù)軸向縫幾何參數(shù)對(duì)低速壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率和穩(wěn)定性的影響,對(duì)軸向縫幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并分別通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)優(yōu)化方案的效果進(jìn)行研究。結(jié)果表明,優(yōu)化方案在保證壓氣機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率的同時(shí),還具有較好的擴(kuò)穩(wěn)能力。在此基礎(chǔ)上,選取軸向縫幾何參數(shù)的無量綱形式作為相似變量,通過幾何變換確定了高速壓氣機(jī)軸向縫優(yōu)化方案。通過數(shù)值研究表明,優(yōu)化方案在高速壓氣機(jī)上對(duì)峰值效率和穩(wěn)定性的影響效果與相應(yīng)低速方案是等效的。其中,對(duì)于被�；姆逯敌使r,高速與低速軸向縫方案開口面上流動(dòng)參數(shù)的分布規(guī)律是相似的；對(duì)于偏離被模化點(diǎn)的近失速工況,高速壓氣機(jī)葉頂端區(qū)軸向動(dòng)量分布和開口面上動(dòng)量輸運(yùn)情況與低速方案有所不同,但是對(duì)擴(kuò)穩(wěn)效果的影響趨勢(shì)相同。
【關(guān)鍵詞】：軸流壓氣機(jī) 軸向縫機(jī)匣處理 相似準(zhǔn)則 控制體方法 流動(dòng)損失 擴(kuò)穩(wěn)裕度
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V233
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 緒論18-38
• 1.1 研究背景與意義18-20
• 1.2 壓氣機(jī)�；椒ǖ难芯窟M(jìn)展20-24
• 1.2.1 相似原理20-21
• 1.2.2 亞聲速線化流動(dòng)的相似法則21-22
• 1.2.3 高壓壓氣機(jī)低速模化方法22-24
• 1.3 動(dòng)葉端區(qū)與軸流壓氣機(jī)效率和穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)24-29
• 1.3.1 動(dòng)葉端區(qū)與軸流壓氣機(jī)效率的關(guān)聯(lián)24-26
• 1.3.2 動(dòng)葉端區(qū)與軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)26-29
• 1.4 軸向縫機(jī)匣處理研究進(jìn)展29-34
• 1.4.1 機(jī)匣處理技術(shù)的產(chǎn)生29-31
• 1.4.2 軸向縫擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理的研究31-33
• 1.4.3 軸向縫幾何參數(shù)與其作用效果的關(guān)聯(lián)33-34
• 1.5 本文的研究思路與科學(xué)問題34-36
• 1.6 本文的研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排36-38
• 2 低速大尺寸軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)38-50
• 2.1 引言38
• 2.2 低速大尺寸軸流壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)38-43
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)38-41
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)部件設(shè)計(jì)41-43
• 2.3 數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)43-48
• 2.4 本章小結(jié)48-50
• 3 高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)速工況低速�；椒ǖ难芯�50-86
• 3.1 引言50-51
• 3.2 高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的低速�；繕�(biāo)建立51-65
• 3.2.1 高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子簡介51-52
• 3.2.2 壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)控制方程組52-55
• 3.2.3 數(shù)值模擬方案55-60
• 3.2.3.1 通道數(shù)的確定56
• 3.2.3.2 網(wǎng)格劃分和計(jì)算參數(shù)設(shè)置56-57
• 3.2.3.3 湍流模型的選取57-58
• 3.2.3.4 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證58-60
• 3.2.4 高速轉(zhuǎn)子參數(shù)分析60-65
• 3.2.4.1 氣動(dòng)參數(shù)分析60-64
• 3.2.4.2 幾何參數(shù)分析64-65
• 3.3 低速模型壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)65-76
• 3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取65-66
• 3.3.2 低速葉型設(shè)計(jì)66-69
• 3.3.3 低速轉(zhuǎn)子數(shù)值模擬與相似性分析69-76
• 3.4 低速模型壓氣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證76-83
• 3.4.1 測(cè)量方案76-79
• 3.4.1.1 總體性能測(cè)量76-77
• 3.4.1.2 轉(zhuǎn)子進(jìn)出口測(cè)量77-79
• 3.4.2 低速與高速壓氣機(jī)相似性分析79-83
• 3.4.2.1 總體性能參數(shù)79
• 3.4.2.2 轉(zhuǎn)子進(jìn)出口參數(shù)79-83
• 3.5 本章小結(jié)83-86
• 4 低速壓氣機(jī)軸向縫機(jī)匣處理對(duì)端區(qū)流動(dòng)損失影響機(jī)理的研究86-104
• 4.1 引言86
• 4.2 軸向縫設(shè)計(jì)方案86-88
• 4.3 數(shù)值模擬方案88-90
• 4.4 壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)損失的度量90-91
• 4.5 軸向縫對(duì)葉頂端區(qū)流動(dòng)損失的影響機(jī)理91-102
• 4.5.1 軸向縫對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)效率的影響91-92
• 4.5.2 軸向縫對(duì)葉頂端區(qū)流動(dòng)損失的影響92-100
• 4.5.2.1 動(dòng)葉葉頂端區(qū)控制體的建立方法92-93
• 4.5.2.2 軸向縫對(duì)葉頂端區(qū)流動(dòng)損失分布的影響93-95
• 4.5.2.3 軸向縫開口面特征流動(dòng)參數(shù)與葉頂端區(qū)損失分布的關(guān)系95-100
• 4.5.3 軸向縫方案的篩選與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證100-102
• 4.6 本章小結(jié)102-104
• 5 低速壓氣機(jī)近失速點(diǎn)葉頂流場(chǎng)相似性分析與軸向縫擴(kuò)穩(wěn)研究104-118
• 5.1 引言104-105
• 5.2 動(dòng)葉葉頂端區(qū)軸向動(dòng)量控制體分析方法105-109
• 5.2.1 動(dòng)葉葉頂端區(qū)的軸向動(dòng)量105-106
• 5.2.2 低速壓氣機(jī)內(nèi)部流動(dòng)穩(wěn)定性與葉頂端區(qū)軸向動(dòng)量的關(guān)聯(lián)106-109
• 5.3 低速與高速壓氣機(jī)近失速點(diǎn)葉頂端區(qū)流動(dòng)相似性分析109-113
• 5.3.1 葉頂端區(qū)累加軸向動(dòng)量曲線對(duì)比109-110
• 5.3.2 葉頂端區(qū)壓力分布相似性分析110-113
• 5.4 軸向動(dòng)量分析方法對(duì)軸向縫擴(kuò)穩(wěn)效果與機(jī)理研究113-116
• 5.4.1 軸向縫機(jī)匣處理擴(kuò)穩(wěn)效果的快速評(píng)估113-114
• 5.4.2 軸向縫擴(kuò)穩(wěn)效果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證114-115
• 5.4.3 軸向縫開口面軸向動(dòng)量輸運(yùn)與擴(kuò)穩(wěn)效果的關(guān)聯(lián)115-116
• 5.5 本章小結(jié)116-118
• 6 低速壓氣機(jī)機(jī)匣處理優(yōu)化及在高速壓氣機(jī)上的效果驗(yàn)證118-132
• 6.1 引言118
• 6.2 低速壓氣機(jī)軸向縫機(jī)匣處理優(yōu)化118-122
• 6.2.1 軸向縫優(yōu)化方案確定118-119
• 6.2.2 優(yōu)化方案數(shù)值分析119-121
• 6.2.3 優(yōu)化方案實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證121-122
• 6.3 軸向縫機(jī)匣處理在高速壓氣機(jī)上的效果驗(yàn)證122-129
• 6.3.1 軸向縫幾何方案確定123-124
• 6.3.2 數(shù)值模擬方案124-125
• 6.3.3 高速壓氣機(jī)機(jī)匣處理效果數(shù)值驗(yàn)證125-129
• 6.4 本章小結(jié)129-132
• 7 總結(jié)與展望132-138
• 7.1 全文內(nèi)容總結(jié)132-135
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)135
• 7.3 工作展望135-138
• 主要符號(hào)說明138-142
• 參考文獻(xiàn)142-150
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)論文與獲獎(jiǎng)情況150-152
• 致謝152

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6 朱理;;三次樣條插值函數(shù)算法在壓氣機(jī)性能試驗(yàn)中的應(yīng)用[A];2010航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2010年

7 郭明;周盛;吳介之;;基于局部動(dòng)力學(xué)的內(nèi)流(風(fēng)扇/壓氣機(jī))氣動(dòng)診斷方法初探[A];2003空氣動(dòng)力學(xué)前沿研究論文集[C];2003年

8 趙連會(huì);何磊;徐強(qiáng);崔耀欣;虎煜;;某型多級(jí)軸流壓氣機(jī)三維CFD流場(chǎng)分析及氣動(dòng)優(yōu)化[A];中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專業(yè)委員會(huì)2011年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2011年

9 符嬈;雷勇;;基于HHT的壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)檢測(cè)技術(shù)研究[A];2010航空試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2010年

10 孫明霞;梁春華;;提高軸流壓氣機(jī)穩(wěn)定性的技術(shù)措施[A];中國航空學(xué)會(huì)第七屆動(dòng)力年會(huì)論文摘要集[C];2010年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 高山　張若萌;激揚(yáng)動(dòng)力[N];中國航空?qǐng)?bào);2011年

2 中航工業(yè)燃?xì)鉁u輪研究院 曹志鵬;未來高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機(jī)局部流動(dòng)控制技術(shù)[N];中國航空?qǐng)?bào);2012年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 馬寧;高速壓氣機(jī)低速�；嗨茰�(zhǔn)則及軸向縫機(jī)匣處理流動(dòng)機(jī)理研究[D];中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所);2016年

2 高坤華;基于混沌理論的壓氣機(jī)失速預(yù)測(cè)及分析[D];西北工業(yè)大學(xué);2007年

3 趙勇;風(fēng)扇/壓氣機(jī)非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能計(jì)算和進(jìn)氣畸變影響預(yù)測(cè)方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2008年

4 羌曉青;低反動(dòng)度附面層抽吸式壓氣機(jī)流動(dòng)控制及設(shè)計(jì)方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

5 高海洋;畸變條件下端區(qū)流動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性影響的機(jī)理研究[D];大連海事大學(xué);2014年

6 羅鉅;高性能風(fēng)扇/壓氣機(jī)三維葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

7 張環(huán);旋轉(zhuǎn)總壓畸變對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性影響的研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

8 龍艷麗;高負(fù)荷氦氣壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)及性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

9 李亮;葉尖射流對(duì)壓氣機(jī)穩(wěn)定性影響研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

10 屠寶鋒;風(fēng)扇/壓氣機(jī)動(dòng)態(tài)失速過程和多尺度非定常氣動(dòng)穩(wěn)定性研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 安鑫;跨音壓氣機(jī)邊界層抽吸控制方法研究[D];中國科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所);2015年

2 管健;旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子試驗(yàn)系統(tǒng)氣動(dòng)性能數(shù)值研究[D];大連海事大學(xué);2015年

3 梁齊文;燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)改型設(shè)計(jì)方法研究[D];上海交通大學(xué);2015年

4 阮國輝;跨聲速低反力度壓氣機(jī)動(dòng)葉性能優(yōu)化研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

5 劉斌;亞聲速重復(fù)級(jí)壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)氣動(dòng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D];大連海事大學(xué);2015年

6 桑晶晶;船用廢氣渦輪增壓器壓氣機(jī)流場(chǎng)及氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真研究[D];江蘇科技大學(xué);2015年

7 胡勇;空氣渦輪火箭組合發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

8 劉軍;跨聲速壓氣機(jī)應(yīng)用彎曲葉片的數(shù)值研究[D];大連海事大學(xué);2016年

9 薛嘉麒;組合抽吸對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子性能的影響[D];大連海事大學(xué);2016年

10 蘆建斌;葉輪設(shè)計(jì)對(duì)車用渦輪增壓器壓氣機(jī)的效率及噪聲影響的研究[D];浙江大學(xué);2016年

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本文編號(hào)：984116