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燃燒仿真.燃燒器設計與優(yōu)化:燃燒器基本結(jié)構:燃燒器結(jié)構設計軟件應用技術教程1燃燒器設計基礎1.1燃燒器類型與應用燃燒器是將燃料與空氣混合并點燃,以產(chǎn)生熱能的設備。根據(jù)燃料類型和應用領域,燃燒器可以分為多種類型:氣體燃燒器:使用天然氣、液化石油氣等氣體燃料,常見于家庭供暖、工業(yè)加熱過程。液體燃燒器:使用柴油、重油等液體燃料,廣泛應用于大型工業(yè)鍋爐、加熱爐。固體燃燒器:使用煤、生物質(zhì)等固體燃料,適用于火力發(fā)電廠、生物質(zhì)能源利用。多燃料燃燒器:能夠適應多種燃料,提高設備的靈活性和適應性。每種燃燒器的設計都需考慮其特定的燃料特性、燃燒效率、排放標準和安全要求。1.2燃燒原理與熱力學分析燃燒是一種化學反應,燃料與氧氣反應生成二氧化碳、水蒸氣等產(chǎn)物,并釋放出熱能。燃燒過程的熱力學分析是設計燃燒器的關鍵,包括:燃燒反應方程式:例如,甲烷燃燒的化學方程式為CH燃燒熱:每單位燃料完全燃燒時釋放的熱量,是衡量燃燒效率的重要指標。燃燒溫度:燃燒產(chǎn)生的最高溫度,影響燃燒器的材料選擇和熱效率。燃燒產(chǎn)物分析:通過分析燃燒產(chǎn)物的成分,評估燃燒的完全性和排放物的環(huán)保性。熱力學分析幫助設計者優(yōu)化燃燒器的性能,減少有害排放,提高能源利用效率。1.3燃燒器基本結(jié)構概述燃燒器的基本結(jié)構包括燃料供應系統(tǒng)、空氣供應系統(tǒng)、點火系統(tǒng)和燃燒室。各部分的設計需緊密配合,確保燃燒過程的穩(wěn)定性和高效性:燃料供應系統(tǒng):負責燃料的儲存、輸送和霧化,確保燃料與空氣的充分混合??諝夤到y(tǒng):提供燃燒所需的氧氣,包括風機、空氣預熱器等組件,影響燃燒效率和排放。點火系統(tǒng):用于點燃燃料與空氣的混合物,常見的有點火棒、電火花點火等。燃燒室:燃燒過程發(fā)生的場所,設計需考慮熱能的均勻分布和燃燒產(chǎn)物的排放。1.3.1示例:燃燒效率計算假設我們有一個使用天然氣的燃燒器,天然氣的化學式為CHC天然氣的燃燒熱為890kJ/#燃燒效率計算示例

#定義燃燒熱和消耗量

combustion_heat=890#kJ/mol

consumption_rate=100#mol/hour

#計算理論熱輸出

theoretical_heat_output=combustion_heat*consumption_rate

#輸出結(jié)果

print(f"理論熱輸出為:{theoretical_heat_output}kJ/hour")此代碼示例計算了燃燒器的理論熱輸出,幫助理解燃燒效率的基本計算方法。通過以上內(nèi)容,我們了解了燃燒器設計的基礎知識,包括不同類型燃燒器的應用、燃燒原理的熱力學分析以及燃燒器的基本結(jié)構。這些知識對于設計高效、環(huán)保的燃燒器至關重要。2燃燒器結(jié)構設計2.1燃燒室設計原則在設計燃燒室時,有幾個關鍵原則需要遵循,以確保燃燒效率、安全性和耐用性。這些原則包括:燃燒穩(wěn)定性:設計時應確?;鹧嬖谌紵覂?nèi)穩(wěn)定燃燒,避免熄火或回火現(xiàn)象。這通常通過精確控制燃料與空氣的混合比和燃燒室的幾何形狀來實現(xiàn)。熱效率:優(yōu)化燃燒室的結(jié)構,以提高熱能轉(zhuǎn)換效率,減少熱量損失。這包括考慮燃燒室的保溫材料、形狀和尺寸。排放控制:設計應考慮減少有害排放物,如NOx、CO和未燃燒碳氫化合物。這可以通過采用低NOx燃燒技術、優(yōu)化燃燒過程和使用后處理系統(tǒng)來實現(xiàn)。材料選擇:燃燒室需要使用能夠承受高溫和腐蝕的材料。常見的材料包括不銹鋼、鎳基合金和陶瓷復合材料。維護與檢修:設計時應考慮燃燒室的可維護性和檢修便利性,以降低運營成本。2.1.1示例:燃燒室?guī)缀蝺?yōu)化假設我們正在設計一個燃燒室,需要通過調(diào)整燃燒室的長寬比來優(yōu)化燃燒效率。我們使用一個簡單的數(shù)學模型來模擬燃燒效率與長寬比的關系。#燃燒室效率模擬

importnumpyasnp

defcombustion_efficiency(length_to_width_ratio):

"""

模擬燃燒室效率與長寬比的關系。

假設效率隨長寬比的增加而線性提高,但超過一定值后開始下降。

"""

iflength_to_width_ratio<2:

efficiency=length_to_width_ratio*0.5

eliflength_to_width_ratio>=2andlength_to_width_ratio<=4:

efficiency=1.0

else:

efficiency=1.0-(length_to_width_ratio-4)*0.2

returnefficiency

#測試不同長寬比下的效率

ratios=np.linspace(1,6,100)

efficiencies=[combustion_efficiency(ratio)forratioinratios]

#找到效率最高的長寬比

optimal_ratio=ratios[np.argmax(efficiencies)]

print(f"Optimallength-to-widthratioformaximumcombustionefficiency:{optimal_ratio}")2.2燃料噴嘴與空氣入口布局燃料噴嘴和空氣入口的布局對燃燒效率和穩(wěn)定性至關重要。正確的布局可以確保燃料與空氣充分混合,避免局部過熱和未完全燃燒。燃料噴嘴:噴嘴的設計應考慮燃料的類型(液體、氣體或固體)、噴射角度和噴射速度。噴嘴通常分布在燃燒室的周圍,以促進均勻燃燒??諝馊肟冢嚎諝馊肟诘脑O計應確保足夠的氧氣供應,同時避免空氣直接沖擊火焰,導致燃燒不穩(wěn)定。入口通常位于燃燒室的下部或側(cè)面。2.2.1示例:燃料噴嘴布局優(yōu)化我們使用一個簡單的算法來模擬不同燃料噴嘴布局對燃燒效率的影響。#燃料噴嘴布局優(yōu)化

defsimulate_combustion_efficiency(number_of_nozzles,nozzle_spacing):

"""

模擬不同燃料噴嘴布局對燃燒效率的影響。

假設噴嘴數(shù)量和間距對效率有直接影響。

"""

efficiency=(number_of_nozzles*0.1)+(1/nozzle_spacing)*0.5

returnefficiency

#測試不同噴嘴數(shù)量和間距下的效率

nozzles=[2,4,6,8]

spacings=[0.1,0.2,0.3,0.4]

#創(chuàng)建一個字典來存儲結(jié)果

results={}

forninnozzles:

forsinspacings:

results[(n,s)]=simulate_combustion_efficiency(n,s)

#找到效率最高的布局

optimal_layout=max(results,key=results.get)

print(f"Optimalnumberofnozzlesandspacingformaximumcombustionefficiency:{optimal_layout}")2.3燃燒器材料選擇與耐熱性分析選擇合適的材料對于燃燒器的性能和壽命至關重要。材料應能夠承受高溫、化學腐蝕和機械應力。耐熱性:材料的耐熱性是通過其熔點、熱膨脹系數(shù)和熱導率來評估的。這些屬性決定了材料在高溫下的穩(wěn)定性和熱效率?;瘜W穩(wěn)定性:材料應能夠抵抗燃燒過程中產(chǎn)生的化學腐蝕,特別是對于使用含硫燃料的燃燒器。機械強度:材料應具有足夠的機械強度,以承受燃燒器在運行過程中的壓力和振動。2.3.1示例:材料耐熱性分析我們使用Python來模擬不同材料的耐熱性,基于其熔點和熱導率。#材料耐熱性分析

materials={

"StainlessSteel":{"melting_point":1540,"thermal_conductivity":16},

"NickelAlloy":{"melting_point":1350,"thermal_conductivity":10},

"CeramicComposite":{"melting_point":1700,"thermal_conductivity":5}

}

defheat_resistance(material):

"""

模擬材料的耐熱性,基于熔點和熱導率。

假設熔點越高,熱導率越低,材料的耐熱性越好。

"""

resistance=material["melting_point"]/material["thermal_conductivity"]

returnresistance

#計算每種材料的耐熱性

resistances={name:heat_resistance(props)forname,propsinmaterials.items()}

#找到耐熱性最好的材料

best_material=max(resistances,key=resistances.get)

print(f"Bestmaterialforheatresistance:{best_material}")通過上述示例,我們可以看到,通過調(diào)整燃燒室的長寬比、燃料噴嘴的布局以及選擇合適的材料,可以顯著提高燃燒器的性能和效率。在實際設計中,這些參數(shù)需要通過詳細的計算和實驗來精確確定,以滿足特定的應用需求。3燃燒仿真技術3.1燃燒仿真軟件介紹在燃燒仿真領域,有多種軟件工具被廣泛使用,包括但不限于AnsysFluent、STAR-CCM+、OpenFOAM等。這些軟件基于計算流體動力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)原理,能夠模擬燃燒過程中的流體流動、熱量傳遞、化學反應等復雜現(xiàn)象。下面以AnsysFluent為例,介紹其在燃燒仿真中的應用。AnsysFluent是一款功能強大的CFD軟件,它提供了多種燃燒模型,如層流燃燒模型、湍流燃燒模型、PDF模型等,適用于不同類型的燃燒器設計與優(yōu)化。Fluent還支持用戶自定義化學反應機制,這對于研究特定燃料的燃燒過程尤為重要。3.2仿真模型建立與參數(shù)設置3.2.1模型建立建立燃燒仿真模型通常包括以下步驟:幾何建模:使用CAD軟件創(chuàng)建燃燒器的三維模型。網(wǎng)格劃分:將三維模型劃分為網(wǎng)格,網(wǎng)格的精細程度直接影響仿真結(jié)果的準確性。物理模型選擇:根據(jù)燃燒器的類型和燃燒過程的特點,選擇合適的湍流模型、燃燒模型等。邊界條件設置:定義入口、出口、壁面等邊界條件,如燃料和空氣的入口速度、溫度、壓力等。初始條件設置:設置仿真開始時的流場和溫度分布。3.2.2參數(shù)設置在AnsysFluent中,參數(shù)設置是關鍵步驟之一。例如,設置燃料和空氣的混合比、燃燒室的壓力和溫度、化學反應的速率等。這些參數(shù)的合理設置對于獲得準確的仿真結(jié)果至關重要。3.2.2.1示例:湍流模型選擇在Fluent中,選擇湍流模型可以通過以下步驟進行:

1.打開Fluent,進入CaseSetup界面。

2.在Models菜單下,選擇Turbulence。

3.選擇合適的湍流模型,如k-epsilon模型。3.2.2.2示例:邊界條件設置設置入口邊界條件:

1.在BoundaryConditions菜單下,選擇Inlet。

2.設置速度、溫度、壓力等參數(shù)。

3.選擇燃料和空氣的混合比。3.3燃燒過程可視化與結(jié)果分析3.3.1可視化Fluent提供了豐富的后處理功能,可以生成燃燒過程的可視化圖像,如溫度分布圖、速度矢量圖、化學反應產(chǎn)物濃度圖等。這些圖像有助于直觀理解燃燒過程中的物理和化學現(xiàn)象。3.3.1.1示例:溫度分布圖生成在Fluent的PostProcessing菜單下,選擇Contour。

1.選擇Temperature作為顯示變量。

2.調(diào)整顯示范圍,以清晰展示溫度變化。

3.保存或?qū)С鰣D像。3.3.2結(jié)果分析分析仿真結(jié)果是燃燒仿真過程中的重要環(huán)節(jié),它包括對流場、溫度場、化學反應產(chǎn)物等數(shù)據(jù)的分析。通過分析,可以評估燃燒器的性能,如燃燒效率、污染物排放等,并據(jù)此進行設計優(yōu)化。3.3.2.1示例:燃燒效率計算假設我們有以下仿真數(shù)據(jù):-燃料質(zhì)量流量:100kg/s-燃燒產(chǎn)物中CO的質(zhì)量分數(shù):0.01%-燃燒產(chǎn)物中CO2的質(zhì)量分數(shù):10%燃燒效率(Efficiency)可以通過以下公式計算:E其中,CO2m3.3.2.2示例:污染物排放評估在燃燒仿真中,評估污染物排放是常見的需求。例如,NOx的排放量可以通過計算燃燒產(chǎn)物中NOx的質(zhì)量分數(shù)來評估。假設仿真結(jié)果顯示燃燒產(chǎn)物中NOx的質(zhì)量分數(shù)為0.1%,則可以據(jù)此評估燃燒器的環(huán)保性能。通過上述介紹,我們可以看到,燃燒仿真技術在燃燒器設計與優(yōu)化中扮演著重要角色。它不僅能夠幫助我們理解燃燒過程中的復雜現(xiàn)象,還能夠提供定量的評估指標,指導燃燒器的改進設計。在實際應用中,合理選擇仿真軟件、建立準確的模型、設置合理的參數(shù)、進行有效的結(jié)果分析,是實現(xiàn)燃燒器高效、環(huán)保設計的關鍵。4燃燒器優(yōu)化策略4.1燃燒效率提升方法4.1.1原理與內(nèi)容燃燒效率的提升是燃燒器設計與優(yōu)化的核心目標之一。通過改進燃燒器的結(jié)構設計,可以實現(xiàn)更完全的燃燒,從而提高能源的利用效率,減少能源浪費。燃燒效率的提升方法主要包括以下幾個方面:優(yōu)化燃料與空氣的混合:確保燃料與空氣在進入燃燒室前充分混合,可以提高燃燒的均勻性和完全性。這通常通過設計更有效的混合器或預混燃燒器來實現(xiàn)。改善燃燒室設計:燃燒室的形狀、尺寸和材料對燃燒效率有直接影響。設計時應考慮燃燒室的熱效率,減少熱損失,同時確保燃燒過程的穩(wěn)定性和安全性。采用先進的燃燒技術:如分級燃燒、富氧燃燒等,這些技術可以提高燃燒溫度,促進燃料的完全燃燒,從而提高燃燒效率。燃燒器的動態(tài)調(diào)整:根據(jù)燃燒過程中的實時反饋,動態(tài)調(diào)整燃燒器的運行參數(shù),如燃料流量、空氣流量等,以適應不同的燃燒條件,提高燃燒效率。4.1.2示例假設我們正在設計一個預混燃燒器,目標是提高燃燒效率。我們可以使用CFD(計算流體動力學)軟件進行燃燒仿真,以優(yōu)化燃料與空氣的混合。以下是一個使用OpenFOAM進行燃燒仿真,優(yōu)化燃燒器設計的示例代碼:#設置求解器

applicationicoFoam;

#求解器參數(shù)

args

(

"case"

"system"

"constant"

);

#物理屬性

dimensionedScalarrho"Density"[kg/m3]1.225;

dimensionedScalarmu"DynamicViscosity"[kg/m/s]1.8e-5;

dimensionedScalark"TurbulentKineticEnergy"[m2/s2]0.01;

dimensionedScalarepsilon"DissipationRateofTurbulentKineticEnergy"[m2/s3]0.1;

#燃燒模型參數(shù)

dimensionedScalarstoichiometricAirFuelRatio"StoichiometricAir-FuelRatio"[kg/kg]14.7;

dimensionedScalarheatOfCombustion"HeatofCombustion"[J/kg]43100000;

#求解控制

controlDict

(

startTime0;

stopAtendTime;

endTime10;

deltaT0.01;

writeInterval1;

purgeWrite0;

writeFormatascii;

writePrecision6;

writeCompressionoff;

timeFormatgeneral;

timePrecision6;

);

#求解算法

fvSchemes

(

gradientGausslinear;

divergenceGausslinear;

laplacianGausslinearcorrected;

interpolationlinear;

snGradcorrected;

);

#邊界條件

boundaryField

(

inlet

{

typefixedValue;

valueuniform(100);

}

outlet

{

typezeroGradient;

}

walls

{

typefixedValue;

valueuniform(000);

}

);這段代碼定義了一個使用OpenFOAM進行燃燒仿真的基本框架。通過調(diào)整stoichiometricAirFuelRatio和heatOfCombustion等參數(shù),可以優(yōu)化燃料與空氣的混合比例,從而提高燃燒效率。在實際應用中,需要根據(jù)具體的燃燒器設計和燃料類型,進一步細化和調(diào)整這些參數(shù)。4.2減少污染物排放的設計考慮4.2.1原理與內(nèi)容減少燃燒過程中產(chǎn)生的污染物排放,如NOx、SOx和顆粒物等,是燃燒器設計與優(yōu)化的另一個重要目標。這不僅有助于環(huán)境保護,也符合日益嚴格的排放標準。減少污染物排放的設計考慮主要包括:控制燃燒溫度:NOx的生成與燃燒溫度密切相關,通過控制燃燒溫度,可以有效減少NOx的排放。分級燃燒和富氧燃燒等技術可以實現(xiàn)這一目標。優(yōu)化燃料選擇:使用低硫燃料可以顯著減少SOx的排放。同時,選擇合適的燃料類型和質(zhì)量,可以減少顆粒物的生成。采用后處理技術:如SCR(選擇性催化還原)和ESP(電除塵器)等,可以在燃燒后處理階段進一步減少污染物的排放。燃燒器的結(jié)構優(yōu)化:通過設計更合理的燃燒器結(jié)構,如采用多級燃燒、增加燃燒室的長度等,可以改善燃燒過程,減少污染物的生成。4.2.2示例在設計燃燒器時,可以使用化學反應模型來預測燃燒過程中污染物的生成。以下是一個使用Cantera進行化學反應模擬的示例代碼:importcanteraasct

#創(chuàng)建氣體對象

gas=ct.Solution('gri30.xml')

#設置初始條件

P=ct.one_atm#壓力

Tin=300.0#初始溫度

X='CH4:1,O2:2,N2:7.56'#初始組分

#設置燃燒器入口

inlet=ct.Reservoir(gas)

inlet.X=X

inlet.T=Tin

inlet.P=P

#設置燃燒器出口

outlet=ct.Reservoir()

#創(chuàng)建燃燒器對象

burner=ct.IdealGasFlow(inlet,outlet)

#設置燃燒器參數(shù)

burner.set_steady_1d()

burner.set_refine_criteria(ratio=3,slope=0.1,curve=0.1,prune=0)

#進行燃燒仿真

flame=ct.FreeFlame(gas,burner)

flame.set_refine_criteria(ratio=3,slope=0.1,curve=0.1,prune=0)

flame.solve(loglevel=1,auto=True)

#輸出結(jié)果

print(flame)這段代碼使用Cantera庫創(chuàng)建了一個燃燒模型,通過調(diào)整燃料組分、溫度和壓力等參數(shù),可以預測燃燒過程中NOx等污染物的生成量。在實際設計中,可以基于這些預測結(jié)果,優(yōu)化燃燒器的結(jié)構和運行參數(shù),以減少污染物的排放。4.3燃燒器性能測試與反饋循環(huán)4.3.1原理與內(nèi)容燃燒器性能測試是評估燃燒器設計效果的關鍵步驟。通過測試,可以獲取燃燒效率、污染物排放量、燃燒穩(wěn)定性等關鍵性能指標。反饋循環(huán)則是將測試結(jié)果用于燃燒器的進一步優(yōu)化,形成設計-測試-優(yōu)化的閉環(huán)過程。燃燒器性能測試與反饋循環(huán)主要包括以下幾個步驟:性能測試:在實驗室條件下,對燃燒器進行燃燒效率、污染物排放等性能測試。數(shù)據(jù)分析:收集測試數(shù)據(jù),分析燃燒器的性能,識別存在的問題和優(yōu)化空間。設計調(diào)整:基于測試結(jié)果,調(diào)整燃燒器的設計,如改變?nèi)剂吓c空氣的混合比例、優(yōu)化燃燒室結(jié)構等。再次測試:對調(diào)整后的燃燒器進行再次測試,驗證優(yōu)化效果。反饋循環(huán):將測試結(jié)果反饋到設計階段,形成閉環(huán)優(yōu)化過程,直至達到預期的性能指標。4.3.2示例在燃燒器性能測試中,可以使用數(shù)據(jù)分析軟件如Python的Pandas庫來處理和分析測試數(shù)據(jù)。以下是一個使用Pandas進行數(shù)據(jù)處理和分析的示例代碼:importpandasaspd

#讀取測試數(shù)據(jù)

data=pd.read_csv('burner_test_data.csv')

#數(shù)據(jù)清洗

data=data.dropna()#刪除缺失值

#數(shù)據(jù)分析

mean_efficiency=data['efficiency'].mean()#計算平均燃燒效率

std_efficiency=data['efficiency'].std()#計算燃燒效率的標準差

max_pollutant=data['pollutant_emission'].max()#計算最大污染物排放量

#輸出分析結(jié)果

print(f"平均燃燒效率:{mean_efficiency:.2f}")

print(f"燃燒效率標準差:{std_efficiency:.2f}")

print(f"最大污染物排放量:{max_pollutant:.2f}")這段代碼首先讀取了燃燒器測試數(shù)據(jù),然后進行了數(shù)據(jù)清洗,去除了缺失值。接著,計算了燃燒效率的平均值和標準差,以及污染物排放的最大值。在實際應用中,這些分析結(jié)果可以用于識別燃燒器設計中的問題,指導設計調(diào)整和優(yōu)化。通過上述方法和示例,可以有效地優(yōu)化燃燒器的設計,提高燃燒效率,減少污染物排放,同時確保燃燒器的性能穩(wěn)定性和安全性。5軟件應用與實踐5.1CAD軟件在燃燒器設計中的應用在燃燒器設計領域,CAD(Computer-AidedDesign)軟件扮演著至關重要的角色。它不僅幫助設計人員精確地繪制出燃燒器的幾何結(jié)構,還能進行初步的尺寸優(yōu)化和熱力學分析,確保燃燒器在實際應用中的效率和安全性。以下是一些CAD軟件在燃燒器設計中的具體應用:5.1.1幾何建模CAD軟件如SolidWorks、AutoCAD或CATIA,提供了強大的三維建模工具,設計人員可以利用這些工具精確地創(chuàng)建燃燒器的各個部件,包括燃燒室、噴嘴、混合器等。通過三維建模,可以直觀地檢查燃燒器的內(nèi)部結(jié)構,確保流體動力學和熱力學的合理布局。5.1.2尺寸優(yōu)化設計過程中,尺寸優(yōu)化是關鍵步驟之一。CAD軟件的參數(shù)化設計功能允許設計人員輕松調(diào)整燃燒器的尺寸,如噴嘴直徑、燃燒室長度等,以達到最佳的燃燒效率。此外,通過與CFD軟件的集成,可以在設計階段就進行流體動力學模擬,進一步優(yōu)化燃燒器的幾何參數(shù)。5.1.3熱力學分析燃燒器在工作時會產(chǎn)生高溫,因此熱力學分析是設計中不可或缺的一部分。CAD軟件中的熱分析工具可以預測燃燒器在不同工作條件下的溫度分布,幫助設計人員選擇合適的材料和冷卻系統(tǒng),以防止過熱和材料損壞。5.1.4制造圖紙生成一旦燃燒器設計完成,CAD軟件可以生成詳細的制造圖紙,包括零件圖、裝配圖和加工說明。這些圖紙是制造過程中工程師和工人的重要參考,確保燃燒器的每個部件都能按照設計要求精確制造。5.2CFD軟件進行燃燒仿真操作CFD(ComputationalFluidDynamics)軟件是燃燒器設計與優(yōu)化過程中的另一大利器。它通過數(shù)值模擬的方法,預測燃燒器內(nèi)部的流體流動、熱量傳遞和化學反應,為設計人員提供燃燒性能的深入理解。以下是一個使用OpenFOAM進行燃燒仿真操作的示例:5.2.1示例:使用OpenFOAM進行燃燒仿真假設我們有一個簡單的燃燒器模型,其幾何結(jié)構已經(jīng)通過CAD軟件創(chuàng)建并導出為STL格式。我們將使用OpenFOAM進行燃燒仿真,以分析燃燒器內(nèi)部的溫度分布和流體流動。5.2.1.1準備工作安裝OpenFOAM:確保你的系統(tǒng)上已經(jīng)安裝了OpenFOAM。導入幾何模型:將STL格式的燃燒器模型導入OpenFOAM的工作目錄中。5.2.1.2創(chuàng)建案例創(chuàng)建案例目錄

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