鄭思宇 張宇萱 魏名山 楊中甲

摘要：網(wǎng)箱浮架是我國(guó)深水養(yǎng)殖的重要設(shè)施裝備，其水動(dòng)力特性直接關(guān)系其工作穩(wěn)定性。文章針對(duì)3層桁架式海洋網(wǎng)箱浮架建立有限元模型，采用流固耦合方法對(duì)17級(jí)臺(tái)風(fēng)正面來(lái)流條件下的網(wǎng)箱浮架水動(dòng)力特性展開(kāi)模擬計(jì)算，并對(duì)比分析有無(wú)網(wǎng)衣時(shí)網(wǎng)箱浮架水動(dòng)力特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在臺(tái)風(fēng)正面來(lái)流的情況下，網(wǎng)箱浮架的餌料艙側(cè)向支撐點(diǎn)、上層步道板連接管迎浪側(cè)和中層承力結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)是應(yīng)力集中的主要區(qū)域;當(dāng)浮架懸掛網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)時(shí)，其垂蕩距離減小，但縱搖程度加劇，即網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)有利于浮架結(jié)構(gòu)在垂直方向上的穩(wěn)定，但增加其縱搖運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度;當(dāng)懸掛網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)時(shí)，由于浮架在垂直方向上更為穩(wěn)定，其餌料艙側(cè)向支撐點(diǎn)、上層步道板連接管迎浪側(cè)的最大應(yīng)力分別降低5.1%和3.2%，中層承力結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)的最大應(yīng)力變化不明顯，而迎浪側(cè)中下層連接管的最大應(yīng)力降低8.7%。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;海洋網(wǎng)箱;水動(dòng)力特性;流固耦合;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：S967.1;P75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-9857（2023）10-0129-08

1 研究背景及意義

當(dāng)前我國(guó)臨海重工業(yè)、濱海旅游業(yè)發(fā)展迅速，部分近岸海域污染嚴(yán)重，近海養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展空間被進(jìn)一步壓縮，海水養(yǎng)殖向離岸深水發(fā)展已成為業(yè)界共識(shí)。深水網(wǎng)箱通常設(shè)置于較深海域，具有養(yǎng)殖水產(chǎn)品品質(zhì)好、產(chǎn)量高、效益大等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)拓展深水養(yǎng)殖空間的重要設(shè)施裝備[1]。

玄武巖纖維是新型無(wú)機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料，由二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵和二氧化鈦等氧化物組成。玄武巖纖維不僅強(qiáng)度高，而且具有電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、可降解等多種優(yōu)異性能[2-3]，已在造船材料、隔熱材料、汽車工業(yè)以及防護(hù)設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。玄武巖纖維及其樹(shù)脂基復(fù)合材料具有抗海水腐蝕、綠色環(huán)保的特性，可解決海洋牧場(chǎng)采用金屬網(wǎng)箱的諸多弊病，因此成為目前海洋網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)材料的熱門(mén)選擇[4]。

近年來(lái)，隨著海洋網(wǎng)箱大型化的發(fā)展，浮架形變問(wèn)題不容忽視，過(guò)大的形變甚至?xí)?dǎo)致浮架失效或破壞，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，學(xué)者們針對(duì)不同環(huán)境下各種形式的大型海洋網(wǎng)箱水動(dòng)力特性開(kāi)展大量的實(shí)驗(yàn)及仿真研究。物理等效模型試驗(yàn)是常見(jiàn)的研究手段[5-6]，但小比例網(wǎng)箱模型在滿足幾何相似的條件下無(wú)法滿足剛度相似的條件，等效試驗(yàn)難以準(zhǔn)確觀測(cè)浮架的形變特征，因此數(shù)值模擬成為當(dāng)前研究大型深海網(wǎng)箱水動(dòng)力特性的主要方式。Huang等[7]基于有限元法模擬研究高密度聚乙烯材料網(wǎng)箱浮架的水動(dòng)力特性，提出浮架在波浪流的沖擊下具有明顯的形變，且越大的深水網(wǎng)箱的形變?cè)酱?崔勇等[8]研究2.4～12.0m 波高的海浪作用下半潛式養(yǎng)殖網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性，結(jié)論表明當(dāng)波高一定時(shí)，網(wǎng)箱錨繩受力與波浪周期改變無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，而網(wǎng)箱的垂蕩、縱蕩及縱搖均與波高呈正相關(guān);崔勇等[9]針對(duì)雙層網(wǎng)底鲆鰈網(wǎng)箱的水動(dòng)力特性開(kāi)展數(shù)值模擬研究，結(jié)論表明雙層網(wǎng)底網(wǎng)箱下層網(wǎng)底的最大位移小于單層網(wǎng)底網(wǎng)箱，而最大傾角大于單層網(wǎng)底網(wǎng)箱;黃小華等[10]針對(duì)高密度聚乙烯深水網(wǎng)箱浮架的形變特性展開(kāi)對(duì)比分析，在不同波流組合工況下發(fā)現(xiàn)，浮架形變隨波高或流速的增加而增大，但受波浪周期的影響很小;曹宇等[11]采用應(yīng)用質(zhì)量集中法及Morison方程，研究重力式海洋網(wǎng)箱系統(tǒng)的受力分布及形變，結(jié)果表明工作海況下網(wǎng)衣受力最大的區(qū)域出現(xiàn)在靠近系泊纜部位，且迎浪流方向的網(wǎng)繩受力較大。從上述文獻(xiàn)中可以看出，在惡劣海洋環(huán)境載荷作用下，深海網(wǎng)箱產(chǎn)生的搖蕩和漂移運(yùn)動(dòng)直接影響網(wǎng)箱浮架的受力特征，也直接關(guān)系到深海網(wǎng)箱的工作穩(wěn)定性，因此對(duì)深海網(wǎng)箱開(kāi)展水動(dòng)力特性分析具有重要意義。

本研究以3層桁架式海洋網(wǎng)箱為研究對(duì)象，網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)以玄武巖纖維制作，采用多物理場(chǎng)流固耦合分析方法，模擬分析惡劣海洋環(huán)境工況即大波浪、強(qiáng)風(fēng)速、強(qiáng)流速下海洋網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)的受力情況，獲得該網(wǎng)箱浮架隨波浪傳播的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，明確網(wǎng)箱所受風(fēng)浪的載荷壓力以及網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征，對(duì)玄武巖纖維海洋網(wǎng)箱的應(yīng)用具有一定的理論與工程指導(dǎo)意義。

2 研究方法

2.1 海洋網(wǎng)箱浮架模型及計(jì)算模型

3層桁架式海洋網(wǎng)箱采用玄武巖纖維復(fù)合材料，網(wǎng)箱整體最大質(zhì)量可達(dá)85t，其中包括網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量54t、最大網(wǎng)衣質(zhì)量16t、最大餌料裝載量5t、餌料艙質(zhì)量10t。網(wǎng)箱主體結(jié)構(gòu)尺寸為36m×36m，分為上、中、下3層，每層間距約為1.45m，其中上層為步道板連接管、中層為主承力結(jié)構(gòu)浮管、下層為增穩(wěn)浮管。桁架上設(shè)置餌料艙、投餌設(shè)備和步道板。

考慮硬件資源和計(jì)算效率，對(duì)網(wǎng)箱幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將中、下層連接件厚度與主浮管厚度一致設(shè)為10mm，將上層管件及連接桿件厚度設(shè)為5mm。由于外部風(fēng)浪直接作用于餌料艙外部殼體，餌料艙內(nèi)部設(shè)備等不受外部風(fēng)浪載荷影響，可簡(jiǎn)化艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，只保留餌料艙外部殼體，并對(duì)外部殼體封底。此外，在模型簡(jiǎn)化中去掉螺栓法蘭，將上、中、下層的浮管、支撐桿、連接頭、步道板和餌料艙等部件組合成整體。網(wǎng)箱的原始和簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整體計(jì)算流體域總長(zhǎng)為280m，水域及空氣域總高度為65m，Y 方向?qū)挾葹?20m。波浪和浮架的流固耦合分析分為2個(gè)部分：①外部波浪場(chǎng)建模，忽略浮架固體域，用外壁面等效為浮架整體，作為六自由度剛體在波浪中運(yùn)動(dòng)，同時(shí)監(jiān)測(cè)浮架所受流體載荷力;②對(duì)固體域進(jìn)行流固耦合分析，得到浮架所受應(yīng)力情況。同時(shí)，為降低計(jì)算成本，將計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)稱處理，在Y 方向上取網(wǎng)箱幾何模型的50%，在仿真計(jì)算時(shí)將中間平面設(shè)為對(duì)稱面，計(jì)算流體域如圖2所示。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在商業(yè)軟件Star-CCM+中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)浮架固體域和流體域分別使用四面體網(wǎng)格和切割體網(wǎng)格。為兼顧流體域網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算成本，流體域四周遠(yuǎn)場(chǎng)的網(wǎng)格尺寸設(shè)置較大，并在水面波浪處和浮架附近設(shè)置網(wǎng)格加密;網(wǎng)格尺寸最大為10 m、最小為0.06m，網(wǎng)格總數(shù)約1200萬(wàn)個(gè);使用重疊網(wǎng)格，避免浮架隨波浪傳播運(yùn)動(dòng)造成的網(wǎng)格重構(gòu)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。固體域整體為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)箱管壁結(jié)構(gòu)保證至少3層網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸最大為0.1m、最小為0.015m，網(wǎng)格總數(shù)約625萬(wàn)個(gè)。計(jì)算域網(wǎng)格如圖3所示。

網(wǎng)箱外部流體域的流動(dòng)方向?yàn)?X 方向到+X 方向，在遠(yuǎn)場(chǎng)設(shè)置速度入口和壓力出口的邊界條件，將四周設(shè)為壁面條件。波浪參數(shù)參考《熱帶氣旋等級(jí)》（GB/T19201-2006），選擇17級(jí)臺(tái)風(fēng)對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境工況參數(shù)為本模型計(jì)算海況，其中流速為1.5m/s、風(fēng)速為60m/s、波高為8.5m、周期為8s。計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口，風(fēng)速為60m/s、流速為1.5m/s;計(jì)算域出口設(shè)置為壓力出口，相對(duì)壓力為0Pa。

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

對(duì)瞬態(tài)海洋波浪以及空氣運(yùn)動(dòng)的模擬采用雷諾平均方法（RANS），以標(biāo)準(zhǔn)k-e 方程作為湍流模型，并采用隱式非穩(wěn)態(tài)方法求解。由于海洋網(wǎng)箱漂浮于空氣與海水的交界區(qū)域，自由界面為氣液共存狀態(tài)，可采用VOF波模型進(jìn)行模擬。在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)箱鋪設(shè)地水深為30m，因此在計(jì)算浮架吃水線位置時(shí)只考慮浮架、餌料艙及餌料裝載質(zhì)量，暫不考慮網(wǎng)衣質(zhì)量。下浮管中心位置坐標(biāo)為（0，0，0），水面位置在X-Y 平面下方265mm 處，因此水面位置取-0.265m。

此外，真實(shí)情況下的海洋網(wǎng)箱設(shè)有16 條粗4mm的聚丙烯錨繩（圖4），仿真時(shí)根據(jù)真實(shí)情況設(shè)置錨繩，下層浮管的錨繩固定于海底。為模擬浮架在波浪中的真實(shí)運(yùn)動(dòng)情況，選用DFBI模型并設(shè)置其能夠在波浪作用下垂蕩（沿Z 軸平移）和縱搖（繞Y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)）。

本研究的求解計(jì)算分為2個(gè)步驟：①將網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)為剛體，模擬波浪以及網(wǎng)箱在風(fēng)浪中的運(yùn)動(dòng)，并計(jì)算海浪運(yùn)動(dòng)對(duì)網(wǎng)箱剛體施加的流體載荷;②在流體仿真結(jié)束后，將記錄的每個(gè)時(shí)間步流體載荷按求解時(shí)間步施加到網(wǎng)箱固體外表面（載荷數(shù)據(jù)從流體邊界映射到固體邊界），開(kāi)始求解固體域，并得到固體域所受應(yīng)力情況。

3 結(jié)果與分析

3.1 正面來(lái)流下網(wǎng)箱浮架的水動(dòng)力特性

初始波浪場(chǎng)在沒(méi)有強(qiáng)風(fēng)速作用時(shí)的波高最大，作用載荷也最大。隨著波浪向前傳播，60m/s的風(fēng)速會(huì)對(duì)波浪產(chǎn)生影響，使得波形和海面流速發(fā)生變化，因此在波浪達(dá)到穩(wěn)定傳播狀態(tài)時(shí)展開(kāi)分析。第8個(gè)周期（T =57～64s）內(nèi)不同時(shí)刻的流場(chǎng)分布如圖5所示。

由圖5可以看出，波峰處的流體速度遠(yuǎn)高于波谷處，波峰到波谷的變化可視為由深到淺的水深變化;這是由于海底具有摩擦作用，且淺水處的海底摩擦作用比深水處明顯。

在此周期內(nèi)，網(wǎng)箱浮架的垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)曲線如圖6 所示。其中，垂蕩運(yùn)動(dòng)向上最大距離為1.75m、向下最大距離為4.25m，縱搖運(yùn)動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)最大角度為10.1°、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)最大角度為8.6°。在此周期內(nèi)，不同時(shí)刻浮架所受流體載荷分布如圖7所示。

由圖7可以看出，3層浮架中下層表面的流體載荷大于上層，這是由于中下層是主要承力結(jié)構(gòu)，其中下浮管所受流體載荷最大。因此，流體總載荷中的水流載荷占比高于風(fēng)力載荷。選取浮架所受流體載荷最大的T =56s時(shí)刻，分析浮架所受應(yīng)力情況（圖8）。

由圖8（a）可以看出，浮架結(jié)構(gòu)迎浪側(cè)的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，其中上層結(jié)構(gòu)應(yīng)力最為集中;其原因是波浪拍打至浮架時(shí)的流體載荷最大，由于上層結(jié)構(gòu)管徑是3層結(jié)構(gòu)中最細(xì)的，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力最明顯并遠(yuǎn)高于中層和下層，且中下層管路受到海水剪切力的作用，其連接支撐結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力也較明顯。由圖8（b）可以看出，餌料艙支撐點(diǎn)處的應(yīng)力集中，餌料艙兩側(cè)撐腳連接處也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;其原因是餌料艙主要依靠4個(gè)方向上的8根支撐管加固連接，當(dāng)浮架結(jié)構(gòu)隨波浪浮動(dòng)時(shí)，餌料艙同時(shí)受風(fēng)力載荷和自身重力的影響，其艙體連接處必然應(yīng)力集中;此外，由于餌料艙在沿波浪方向上存在傾覆的趨勢(shì)，兩側(cè)管路對(duì)艙體具有拉緊作用，在沿來(lái)流方向的兩側(cè)撐腳連接處也存在應(yīng)力集中。由圖8（c）可以看出，浮架尾部遠(yuǎn)離波峰，所受流體載荷最小，因此浮架尾部的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯;然而由于力的傳遞作用，中層承力結(jié)構(gòu)的十字交叉結(jié)構(gòu)處存在一定的應(yīng)力集中。

綜上所述，根據(jù)最大應(yīng)力由大到小排序，網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域依次為餌料艙側(cè)向支撐點(diǎn)、上層步道板連接管迎浪側(cè)、中層承力結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)、步道板連接管與餌料艙撐腳以及迎浪側(cè)中下層連接管（表1）。

3.2 正面來(lái)流下網(wǎng)衣對(duì)網(wǎng)箱浮架水動(dòng)力特性的影響

網(wǎng)衣質(zhì)量為16t，在海洋生物附著的情況下其質(zhì)量占比可達(dá)網(wǎng)箱整體的25%，因此有必要考慮懸掛網(wǎng)衣對(duì)網(wǎng)箱浮架水動(dòng)力特性的影響。在幾何結(jié)構(gòu)處理時(shí)，將網(wǎng)衣與中層結(jié)構(gòu)連結(jié)成一體并垂直于固定的桁架結(jié)構(gòu)上。由于網(wǎng)衣位于水下，海洋生物附著會(huì)堵塞網(wǎng)衣的孔眼，當(dāng)海水沖擊網(wǎng)衣時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的表面載荷。為兼顧計(jì)算準(zhǔn)確性及成本，本研究不將網(wǎng)衣視為多孔介質(zhì)，而將網(wǎng)衣視為1塊薄板，其長(zhǎng)、寬、高與真實(shí)網(wǎng)衣保持一致，分別為15 m、15m和13m，薄板的厚度參考真實(shí)網(wǎng)衣鋼繩直徑取12mm，其簡(jiǎn)化模型如圖9所示。此外，由于網(wǎng)衣底部受海水作用力不明顯，薄板底部不進(jìn)行封閉處理，這樣既可模擬海水沖擊網(wǎng)衣對(duì)浮架結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，也能模擬海水完全浸沒(méi)網(wǎng)衣的真實(shí)效果。

當(dāng)浮架連接網(wǎng)衣后，垂蕩運(yùn)動(dòng)向上最大距離為0.82m、向下最大距離為4.53m，與不帶網(wǎng)衣的浮架結(jié)構(gòu)相比分別減少0.93m 和增加0.28m，可見(jiàn)當(dāng)浮架掛載網(wǎng)衣時(shí)受波浪沖擊的垂蕩運(yùn)動(dòng)更為平穩(wěn)，網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)有利于浮架結(jié)構(gòu)在垂直方向上的穩(wěn)定。當(dāng)浮架連接網(wǎng)衣后，縱搖運(yùn)動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)最大角度為9.1°、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)最大角度為11.0°，與不帶網(wǎng)衣的浮架結(jié)構(gòu)相比分別減少1.0°和增加2.4°，可見(jiàn)當(dāng)浮架掛載網(wǎng)衣時(shí)受波浪沖擊的縱搖幅度有所增加（圖10）。

將穩(wěn)定后57～64s的3層浮架流體載荷數(shù)據(jù)作為固體域的邊界條件，施加于浮架結(jié)構(gòu)的固體域外表面，從而求解網(wǎng)箱浮架在17級(jí)臺(tái)風(fēng)工況下所受應(yīng)力。需要說(shuō)明的是，由于網(wǎng)衣受到流體載荷時(shí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍反映在主體浮架結(jié)構(gòu)上，在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中僅賦予浮架結(jié)構(gòu)的外部載荷，并不賦予簡(jiǎn)化網(wǎng)衣所受載荷。T =56s時(shí)刻網(wǎng)箱浮架的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其在海浪中的位置如圖11所示。

由圖11可以看出，浮架結(jié)構(gòu)迎浪側(cè)整體的結(jié)構(gòu)應(yīng)力依然遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，其中上層結(jié)構(gòu)應(yīng)力最為集中;餌料艙支撐點(diǎn)以及兩側(cè)撐腳連接處也出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象;浮架尾部遠(yuǎn)離波峰，所受流體載荷最小，因此浮架尾部整體的應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯。然而由于力的傳遞作用，中層承力結(jié)構(gòu)的十字交叉結(jié)構(gòu)處仍存在一定的應(yīng)力集中。

考慮網(wǎng)衣影響時(shí)浮架各區(qū)域的最大應(yīng)力如表2所示。

由表2可以看出，通過(guò)與不考慮網(wǎng)衣影響時(shí)的最大應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，除中層承力結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)的最大應(yīng)力變化不明顯外，其他應(yīng)力集中區(qū)域的最大應(yīng)力均有不同程度的降低。因此，在海浪波峰拍打浮架時(shí)，網(wǎng)衣的存在不僅減弱浮架結(jié)構(gòu)的垂蕩運(yùn)動(dòng)，還使浮架結(jié)構(gòu)沿波浪方向所受載荷減小以及流體剪切力降低。

4 結(jié)論

本研究利用有限元方法，對(duì)玄武巖纖維材料制作的3層深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱建立數(shù)值模型，分析正面來(lái)流條件下網(wǎng)箱浮架的水動(dòng)力特性，并對(duì)比分析有無(wú)網(wǎng)衣時(shí)網(wǎng)箱浮架的運(yùn)動(dòng)及所受應(yīng)力情況，得到網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)箱浮架水動(dòng)力特性的影響效果。

（1）在正面來(lái)流條件下，根據(jù)最大應(yīng)力由大到小排序，網(wǎng)箱浮架結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域依次為餌料艙側(cè)向支撐點(diǎn)、上層步道板連接管迎浪側(cè)、中層承力結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)、步道板連接管與餌料艙撐腳以及迎浪側(cè)中下層連接管。在后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究中，須對(duì)餌料艙側(cè)向支撐點(diǎn)及上層連接管路進(jìn)行加固處理。

（2）當(dāng)網(wǎng)箱浮架懸掛網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)時(shí)，網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)有利于浮架結(jié)構(gòu)在垂直方向上的穩(wěn)定，但增加其縱搖運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

（3）在網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的影響下，由于網(wǎng)箱浮架垂蕩距離減少，餌料艙側(cè)向支撐點(diǎn)、上層步道板連接管迎浪側(cè)的最大應(yīng)力分別降低5.1%和3.2%，中層承力結(jié)構(gòu)交叉點(diǎn)的最大應(yīng)力變化不明顯，迎浪側(cè)中下層連接管的最大應(yīng)力降低8.7%。

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