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關(guān)于流體流動(dòng)特性12在t時(shí)刻,某質(zhì)點(diǎn)a,b,c
的位置可表示為:該流體質(zhì)點(diǎn)的速度場(chǎng)為:類似的方法可得到該流體質(zhì)點(diǎn)的加速度場(chǎng)3.1流場(chǎng)及其描述方法第2頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天32.歐拉法又稱局部法,是以流體質(zhì)點(diǎn)流過(guò)空間某個(gè)點(diǎn)上時(shí)的運(yùn)動(dòng)特性,來(lái)研究整個(gè)流體的運(yùn)動(dòng)的。所以流體質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)是空間點(diǎn)坐標(biāo)(x,y,z)和時(shí)間t的函數(shù),任一參量B可以表示為B=B(x,y,z,t)式中,x,y,z,t稱為歐拉變量。是與流體質(zhì)點(diǎn)無(wú)關(guān)的空間坐標(biāo)值。
x,y,z值不變,改變t,表示空間某固定點(diǎn)的速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。
t不變,改變x,y,z,代表某一時(shí)刻,空間各點(diǎn)的速度分布。3.1流場(chǎng)及其描述方法第3頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天43.兩種方法的比較
3.1流場(chǎng)及其描述方法拉格朗日法歐拉法表達(dá)式復(fù)雜表達(dá)式簡(jiǎn)單不能直接反映參數(shù)的空間分布直接反映參數(shù)的空間分布不適合描述流體元的運(yùn)動(dòng)變形特性適合描述流體元的運(yùn)動(dòng)變形特性拉格朗日觀點(diǎn)是重要的流體力學(xué)最常用的解析方法分別描述有限質(zhì)點(diǎn)的軌跡同時(shí)描述所有質(zhì)點(diǎn)的瞬時(shí)參數(shù)第4頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天53.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)速度場(chǎng)——任一瞬時(shí)由空間點(diǎn)上速度矢量構(gòu)成的場(chǎng),又稱速度分布。1.流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的速度和加速度
在直角坐標(biāo)系中采用歐拉方法描述的速度函數(shù)為
對(duì)于具體的流體質(zhì)點(diǎn)來(lái)說(shuō)x,y,z有雙重意義:一方面它代表流場(chǎng)的空間坐標(biāo),另一方面它代表流體質(zhì)點(diǎn)在空間的位移。也就是說(shuō),空間坐標(biāo)x,y,z也是流體質(zhì)點(diǎn)位移的變量,它也是時(shí)間t的函數(shù)x=x(t)y=y(t)z=z(t)——流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程第5頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天6流體質(zhì)點(diǎn)在x方向上的加速度分量為:上式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)就可得流體質(zhì)點(diǎn)沿運(yùn)動(dòng)軌跡的三個(gè)速度分量所以同理3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第6頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天7表示成矢量形式,即歐拉方法中,流體質(zhì)點(diǎn)的加速度由兩項(xiàng)構(gòu)成當(dāng)?shù)丶铀俣?/p>
:固定點(diǎn)上流體質(zhì)點(diǎn)的速度隨時(shí)間的變化率,反映了流場(chǎng)的非定常性引起
(b)
遷移加速度
:流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)改變了空間位置而引起的速度變化率,反映了流場(chǎng)的非均勻性3-73.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第7頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天83.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)遷移加速度當(dāng)?shù)丶铀俣鹊?頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天9用歐拉法求流體質(zhì)點(diǎn)任意物理量的時(shí)間變化率:稱為隨體導(dǎo)數(shù)(質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù))——表示跟隨流體質(zhì)點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)3-8當(dāng)?shù)貙?dǎo)數(shù),局部導(dǎo)數(shù)或時(shí)變導(dǎo)數(shù),表示流體質(zhì)點(diǎn)沒(méi)有空間位移時(shí),物理量對(duì)時(shí)間的變化率遷移導(dǎo)數(shù)或位變導(dǎo)數(shù),表示流體處于不同位置時(shí)物理量
對(duì)時(shí)間的變化率。注:1.遷移導(dǎo)數(shù)雖然是參數(shù)在空間的分布,但并不是參數(shù)對(duì)
坐標(biāo)的導(dǎo)數(shù),變量仍然是t,通過(guò)中間變量x,y,z對(duì)時(shí)間求導(dǎo)。2.與拉格朗日坐標(biāo)系下質(zhì)點(diǎn)導(dǎo)數(shù)的比較3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第9頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天10【例】已知用歐拉法表示的流場(chǎng)速度分布規(guī)律為求:在t=0時(shí)刻位于點(diǎn)(a,b)的流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡?!窘狻坑闪黧w質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程得
積分得:由t=0時(shí)刻可得代回積分式,可得流體質(zhì)點(diǎn)軌跡方程為3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第10頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天11【例3-1】已知用速度場(chǎng)u=2x,v=2y,w=0。求質(zhì)點(diǎn)的加速度及流場(chǎng)中(1,1)點(diǎn)的加速度?!窘狻吭冢?,1)點(diǎn)上,3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第11頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天122.跡線和流線跡線——某一流體質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻所占有的空間位置連接成的空間曲線,或流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。與拉格朗日法相對(duì)應(yīng)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第12頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天13流線——某一時(shí)刻,各點(diǎn)的切線方向與通過(guò)該點(diǎn)的流體質(zhì)點(diǎn)速度方向相同的曲線。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第13頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天143.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第14頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天153.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)流線的基本特性(1)在定常流動(dòng)時(shí),因?yàn)榱鲌?chǎng)中各流體質(zhì)點(diǎn)的速度不隨時(shí)間變化,所以通過(guò)同一點(diǎn)的流線形狀始終保持不變,因此流線和跡線相重合。而在非定常流動(dòng)時(shí),一般說(shuō)來(lái)流線要隨時(shí)間變化,故流線和跡線不相重合。
(2)通過(guò)某一空間點(diǎn)在給定瞬間只能有一條流線,一般情況流線不能相交和分支。(駐點(diǎn)或奇點(diǎn)除外)
(3)流線不能突然折轉(zhuǎn),是一條光滑的連續(xù)曲線。
(4)流線密集的地方,表示流場(chǎng)中該處的流速較大,稀疏的地方,表示該處的流速較小。第15頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天163.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)【例3-2】有一流場(chǎng),其流速分布規(guī)律為:u=-ky,v=kx,w=0,試求流線方程?!窘狻坑捎趙=0,所以是二維流動(dòng),二維流動(dòng)的流線方程微分為將兩個(gè)分速度代入流線微分方程積分上式得到即流線簇是以坐標(biāo)原點(diǎn)為圓心的同心圓第16頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天17【例】已知不定常流常速度場(chǎng)為u=t+1,v=1,t=0時(shí)刻流體質(zhì)點(diǎn)A位于原點(diǎn)。求:(1)質(zhì)點(diǎn)A的跡線方程;
(2)t=0時(shí)刻過(guò)原點(diǎn)的流線方程;
(3)t=1時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)方向【解】(1)由跡線方程式,積分可得t=0時(shí)質(zhì)點(diǎn)A位于x=y=0,得c1=c2=0。質(zhì)點(diǎn)A的跡線方程為消去參數(shù)t可得(a)3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第17頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天18
上式表明質(zhì)點(diǎn)A的跡線是一條以(-1/2,-1)為頂點(diǎn),且通過(guò)原點(diǎn)的拋物線(見(jiàn)圖)。(2)由流線微分方程式,積分可得在t=0時(shí)刻,流線通過(guò)原點(diǎn)x=y=0,可得C=0,相應(yīng)的流線方程為x=y這是過(guò)原點(diǎn)的一、三象限角平分線,與質(zhì)點(diǎn)A的跡線在原點(diǎn)相切(見(jiàn)圖)。(b)(c)3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第18頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天19(3)為確定t=1時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)A的運(yùn)動(dòng)方向,需求此時(shí)刻過(guò)質(zhì)點(diǎn)A所在位置的
流線方程。由跡線方程可確定,t=1時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)A位于x=3/2,y=1位置,
代入流線方程可得C=-1/4t=1時(shí)刻過(guò)流體質(zhì)點(diǎn)A所在位置的流線方程為x=2y-1/2
上式是一條與流體質(zhì)點(diǎn)A的跡線相切于(3/2,1)點(diǎn)的斜直線,運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檠卦撝本€朝x,y值增大方向。討論:以上可見(jiàn),不定常流動(dòng)中跡線與流線不重合;不同時(shí)刻通過(guò)某固定點(diǎn)的流線可以不同(見(jiàn)b式),通過(guò)某流體質(zhì)點(diǎn)所在位置的流線也可以不同(見(jiàn)c和d式)。(d)3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第19頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天203.流管、流束和總流流管:在流場(chǎng)中任取一條不是流線的封閉曲線,通過(guò)曲線上各點(diǎn)作流線,這些流線組成一個(gè)管狀表面,稱之為流管。
流管表面上流體的速度與流管表面平行,即流管表面法向單位向量n與該點(diǎn)的速度V相垂直。流管方程為:流體質(zhì)點(diǎn)不能穿過(guò)流管流入或流出。流束:過(guò)流管橫截面上各點(diǎn)作流線,則得到充滿流管的一束流線簇,稱為流束。有效截面:在流束中與各流線相垂直的橫截面稱為有效截面。也稱為過(guò)流斷面。3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第20頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天213.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第21頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天224.流量和平均流速流量:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)有效截面的流體的量體積流量:以Qv表示。單位為m3/s質(zhì)量流量:以Qm表示。單位為kg/s對(duì)于在流管有效截面上流速不等的流動(dòng),其體積流量為當(dāng)流速與截面A不垂直時(shí),體積流量變?yōu)槭街衝是截面的外法線單位矢量3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第22頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天23平均流速:平均流速是一個(gè)假想的流速,即假定在有效截面上各點(diǎn)都以相同的流速流過(guò),這時(shí)通過(guò)該有效截面上的體積流量與各點(diǎn)以真實(shí)流速流動(dòng)時(shí)所得到的體積流量相同。3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)對(duì)于非圓截面管道引入濕周、水力半徑和當(dāng)量直徑概念濕周χ
:在總流的有效截面上,流體與固體邊界接觸的長(zhǎng)度水力半徑Rh
:總流的有效截面面積與濕周之比當(dāng)量直徑Dh
:4倍的水力半徑第23頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天24【例】已知:粘性流體在圓管(半徑R)內(nèi)作定常流動(dòng)。設(shè)圓截面上速度分布
呈拋物線分布求:(1)流量Q的表達(dá)式;(2)截面上平均速度V
其中um截面速度分布的最大速度?!窘狻苛髁坑?jì)算時(shí)dA=2πrdr,拋物線分布的流量為其平均速度為:3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)第24頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天253.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)【例3-3】直徑為d的圓形管道,邊長(zhǎng)為a的正方形管道和高為h,寬為3h的矩形管道,具有相同的有效截面積A0=0.0314m2,分別求出這三種充滿流體的管道的濕周χ、水力半徑Rh
和當(dāng)量直徑Dh,并說(shuō)明那種管道最省材料(1)直徑為d的圓管
d=0.20(m)
χ=πd=0.628(m)
Rh
=A0/χ=0.05(m)Dh=4Rh=0.2(m)=d(2)邊長(zhǎng)為a正方形
d=0.177(m)
χ=4a=0.708(m)
Rh=A0/χ=0.044(m)Dh=4Rh=0.177(m)【解】(3)高為h的長(zhǎng)方形
h=0.102(m)
χ=0.816(m)
Rh=A0/χ=0.038(m)Dh=4Rh=0.153(m)圓形截面濕周最小,過(guò)流截面積最大,最省料第25頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天263.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析1.亥姆霍茲速度分解定理
在
xy平面流場(chǎng)中,M0點(diǎn)的速度為在x方向上的速度為u0,則利用流體參數(shù)的連續(xù)性用泰勒展開(kāi)可以得到鄰近的M點(diǎn)的速度在x方向的分量u可表示為旋轉(zhuǎn)速率線變形速率角變形速率
M0平移速度
M相對(duì)M0的速度第26頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天272.流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析(1)平移運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為流體微團(tuán)整體從ABC點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平移運(yùn)動(dòng)到A'B'C'點(diǎn),微團(tuán)內(nèi)部任一流體質(zhì)點(diǎn)在x,y方向上的速度均為u,v,不存在速度梯度。3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析xy第27頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天28(2)線變形運(yùn)動(dòng)流體微團(tuán)內(nèi)部沿x方向運(yùn)動(dòng),但是B點(diǎn)和A點(diǎn)流體可能存在x方向上的速度差,C點(diǎn)和A點(diǎn)可能存在y方向上的速度差,如圖。3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析xy第28頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天29線變形速率:?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)(縮短)率3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析同理y和z方向上的線變形速率為面積擴(kuò)張率:面元的面積在平面內(nèi)的局部瞬時(shí)相對(duì)擴(kuò)張速率體積膨脹率:體元的體積在空間的局部瞬時(shí)相對(duì)膨脹速率不可壓縮流體的速度散度——面積擴(kuò)張率和體積膨脹率為零速度的散度第29頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天30(3)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
因?yàn)锽點(diǎn)和A點(diǎn)可能存在y方向上的速度差,而C點(diǎn)和A點(diǎn)可能存在x方向上的速度差使微團(tuán)旋轉(zhuǎn)。如圖。3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析xy第30頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天31旋轉(zhuǎn)角速度:兩正交線元在xy面內(nèi)繞一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角速度平均值
3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析規(guī)定逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正,則
AB邊的旋轉(zhuǎn)角速度為AC邊的旋轉(zhuǎn)角速度為表現(xiàn)為流體微團(tuán)兩條正交邊的角平分線在xy面內(nèi)繞一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)角速度
第31頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天32渦量寫(xiě)成矢量為:——速度的旋度流動(dòng)無(wú)旋流動(dòng)有旋3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析三維條件繞x軸和y軸的旋轉(zhuǎn)角速度為:第32頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天33(4)角變形運(yùn)動(dòng)僅用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并不能完全描述流體微團(tuán)的變形運(yùn)動(dòng),如圖所示,若3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析則旋轉(zhuǎn)角速度為零,表現(xiàn)為流體微團(tuán)的角平分線不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),但是AB和AC間的夾角改變了。xy第33頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天34角變形速率:兩正交線元的與角平分線夾角在xy平面內(nèi)的局部瞬時(shí)變化速率平均值同理:3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析AB和AC兩條正交直角邊在xy平面內(nèi)的局部瞬時(shí)變化速率為第34頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天35所以,對(duì)于流體微團(tuán)在三維空間的運(yùn)動(dòng),速度可以寫(xiě)為3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析第35頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天363.有旋流動(dòng)的描述有旋流動(dòng):流場(chǎng)中存在存在著旋轉(zhuǎn)角速度ω不為零的流動(dòng)窩量場(chǎng):旋轉(zhuǎn)角速度ω或者Ω在流場(chǎng)中的分布渦線:線上任意點(diǎn)的切線方向與該點(diǎn)的渦量方向一致的假想曲線,渦線
組成的集束稱為渦束
渦線的方程,由得到:3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析第36頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天37【例】設(shè)平面流場(chǎng)為u=ky,v=0(k為大于零的常數(shù))。
試分析該流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征?!窘狻克俣确植既鐖D所示。由流線微分方程kydy=0,積分得流線方程y=C說(shuō)明流線是平行于x軸的直線族。x,y方向的線應(yīng)變率和xy平面內(nèi)的角變形率分別為線元既不伸長(zhǎng)也不縮短,互相正交的線元隨時(shí)間增長(zhǎng)夾角不斷變化。εyx>0,流體自左向右流動(dòng)時(shí)正交線元的夾角不斷減小。3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析第37頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天38流體的旋轉(zhuǎn)角速度為說(shuō)明一點(diǎn)鄰域內(nèi)的流體作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(形成速度線形增長(zhǎng)的基礎(chǔ))。面積擴(kuò)張率為屬不可壓縮流動(dòng)。圖中四邊形流體面在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中面積保持不變,對(duì)角線與x軸的夾角不斷減小,流體面不斷拉長(zhǎng)和變窄。3.3流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)分析第38頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天393.4粘性流體的流動(dòng)形態(tài)1.雷諾實(shí)驗(yàn)
雷諾實(shí)驗(yàn)裝置第39頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天403.4粘性流體的流動(dòng)形態(tài)(1)當(dāng)速度較小時(shí),染液線為一條平滑直線;測(cè)速信號(hào)也是一條平滑直線;hf與V呈線性關(guān)系(2)當(dāng)速度逐漸增大后,染液開(kāi)始波動(dòng);測(cè)速信號(hào)發(fā)生間歇性脈動(dòng),說(shuō)明流動(dòng)開(kāi)始向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變;hf與V關(guān)系不確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果(3)當(dāng)速度繼續(xù)增大后,染液線突然變得模糊,并彌散到整個(gè)管內(nèi);測(cè)速信號(hào)變?yōu)檫B續(xù)不斷的隨機(jī)脈;hf與V的1.75~2次方成正比第40頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天413.4粘性流體的流動(dòng)形態(tài)
過(guò)渡區(qū)湍流區(qū)第41頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天422.雷諾準(zhǔn)則
雷諾通過(guò)圓管定常流動(dòng)系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),層流與湍流的轉(zhuǎn)捩不僅僅取決于速度,而是取決于一個(gè)組合的無(wú)量綱數(shù)——雷諾數(shù)其中V
流速,d特征長(zhǎng)度,ρ流體密度、μ粘度圓管臨界雷諾數(shù)當(dāng)Re<2300時(shí)流動(dòng)必為層流,Re>2300時(shí)將發(fā)生湍流。
3.4粘性流體的流動(dòng)形態(tài)上臨界雷諾數(shù):流體流動(dòng)從層流完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯睦字Z數(shù)下臨界雷諾數(shù):流體流動(dòng)從湍流完全轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鞯睦字Z數(shù)第42頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天43【例3-4】水在內(nèi)徑d=0.1m的圓管內(nèi)流動(dòng),流速V=0.4m/s,水的運(yùn)動(dòng)黏度ν=1×10-6m2/s,試問(wèn)水在管中呈何種流態(tài)?若設(shè)管中的流體是油,流速不變而運(yùn)動(dòng)黏度ν=31×10-6m2/s,試問(wèn)油在管中呈何種流態(tài)?【解】水的流動(dòng)雷諾數(shù)水在管中呈湍流狀態(tài)油的流動(dòng)雷諾數(shù)油在管中呈層流狀態(tài)3.4粘性流體的流動(dòng)形態(tài)第43頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天443.5流體流動(dòng)的分類1.流動(dòng)的分類第44頁(yè),共50頁(yè),2024年2月25日,星期天452.定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)3.2流體流動(dòng)的速度場(chǎng)
根據(jù)流體的流動(dòng)參數(shù)是否隨時(shí)間而變化,可將流體的流動(dòng)分為定常流動(dòng)和非定常流動(dòng),定常流動(dòng):流動(dòng)參數(shù)
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