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结冰云小水滴粒径测量设备综述

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战培国

(中国空气动力研究与发展中心 低速空气动力研究所,四川 绵阳 621000

 

摘要:结冰云中小水滴粒径测量技术研究是开展飞机结冰试验研究的基础。概述飞机飞行结冰气象条件特征;归纳了六种国外主要结冰云小水滴粒径测量设备,基于非光学技术的测量设备有:油片测量仪和旋转多圆柱测量仪;基于光学技术的测量设备有:前向散射分光测量仪、光学阵列测量仪、相位多普勒粒子分析仪和马尔文粒径测量仪;介绍了这些设备的原理、精度和应用环境;指出了国外应用于结冰风洞的小水滴粒径测量设备的发展动向;提出了国内自主发展此类测量设备的建议,目的是为我国结冰领域相关测量技术和设备研究提供参考。

关键词:测量仪器;小水滴粒径测量;飞机结冰;结冰风洞

中图分类号:TP391;V211.7        文献标识码:A        文章编号:1000-8829(2020)00-0000-00

doi:10.19708/j.ckjs.2020.00.000

 

Review of droplet sizing instruments used in icing clouds

ZHAN Pei-guo[1]

China Aerodynamics Research and Development Center  LARI ,Mianyang 621000

 

AbstractThe research of water Droplets sizing in icing clouds is a groundwork for aircraft in-flight icing test. This paper summarizes the characterization of aircraft icing conditionsums up six droplet sizing instruments used in foreign icing wind tunnel, in which the non-optical instruments are oil slide and rotating multi-cylinder, the optical instruments are FSSP,OAP,PDPA and MPSA. The principle, precision and applying environment of these instruments are introduced. The progress of such instruments has been pointed out. At last, the advices for domestic development are given. The purpose is to provide references for development of sizing instrument and techniques in icing research.

Key words: measuring instrumentdroplet diameter measurementaircraft icingicing wind tunnel

    

 

飞机飞行结冰源于结冰云中含有过冷小水滴,这种小水滴的温度远低于水的冰点,甚至可以达到-400C,但它们仍以液态形式存在。当飞机穿越结冰云与这些小水滴碰撞时,它们会迅速在飞机表面冻结形成结冰,从而改变飞机原气动设计外形,影响飞行性能和飞行安全。结冰云中小水滴粒径是飞机结冰研究的关键参数之一。在飞机结冰气象条件数据库建立中,需要飞行实测结冰云中小水滴粒径;在使用结冰地面模拟试验设备和人造结冰云飞机进行的结冰试验中,确定人工模拟结冰云的符合性,需要测量小水滴粒径[1];在结冰飞行试验和适航认证飞行试验中,确定自然结冰云条件的符合性,也需要测量小水滴粒径[2]。因此,准确测量结冰云中小水滴粒径关系到结冰试验条件和试验研究结果的准确性,小水滴粒径测量技术研究是飞机结冰研究的一项关键基础性工作。国外飞机结冰试验研究有悠久的历史,在结冰研究的发展历程中,研制了适用于不同结冰云测试环境的小水滴粒径测量设备和测量方法[3],许多粒径测量设备已经商品化。然而,我国航空工业起步较晚并长期以仿制为主,但近几年自主研制发展很快,对飞机结冰试验研究需求迅猛增长,促使国内各类结冰试验设备建设迅速发展。然而,应用于结冰风洞测量的国产结冰云粒径测量设备几乎是空白,此类设备仍主要依赖购买国外产品。因此,研究国外结冰云小水滴粒径测量设备种类、原理和应用环境,对未来自主创新研制此类测量设备具有现实意义。

1 结冰云条件特征中的小水滴粒径

人们发现飞行中飞机表面会发生结冰现象可以追朔到20世纪20年代。20世纪40年代,国外航空发达国家开始对有关大气飞行结冰气象条件进行研究。1945~1948年,美国NACANASA的前身)在冬季6000m高空云层中,采用机载测量设备累计飞行了大约5600km,采集了大量结冰气象数据,通过结冰云数据研究分析确定了基本的结冰条件特征包线。1956年开始,这些数据包线被用于飞机冰防护系统设计的依据,也用于结冰风洞人工模拟结冰云和结冰适航认证的依据。后来数据包线被美国联邦航空局(FAA)采纳,成为《运输类飞机适航标准》FAR 25附录C等适航标准中的结冰条件。欧洲航空安全局(EASA)和中国民用航空局(CAAC)的适航规章(CS-25CCAR-25)中的结冰条件均源自美国FAA FAR 25附录C,并与其保持一致。20世纪90年代以来,美国FAANASA联合,主导开展了过冷大水滴(SLD)等其他导致飞行结冰气象条件的数据采集和研究。2014年,FAA正式发布过冷大水滴结冰适航25-140号修正案,对适航规章FAR 25FAR 33增加了附录O,提出了在过冷大水滴、混合相和冰晶结冰条件下对飞机和发动机进行适航的要求,给出了SLD结冰条件特征包线[4]

在美国军用标准中,涉及飞机结冰的条件特征主要是基于民用航空FAA FAR 25附录C的条件,但美军认为民用航空的这些条件有时不能满足武器系统的一些实际需求,因此,美军根据FAA后期补充采集的大量结冰云气象数据,构建了美国空军结冰试验设计包线。美国空军结冰试验设计包线包括两组结冰条件数据,一组对应层状云,另一组对应对流云,分别给出了一些结冰条件特征参数的对应关系曲线。美国空军结冰试验设计包线是对民用航空FAA FAR 25附录C条件的拓展。

    结冰云条件特征是描述结冰云环境的各种参数,是建立结冰数据库和开展结冰研究的基础。长期以来,美国建立的结冰气象条件数据库有:FAA结冰数据库、NOAA/FSL结冰导航报告(PIREP)数据库、NOCD/NCDC全球高空气象地图(GUACA)数据库和NCAR/ARL WISP结冰预测修正数据库等。结冰云条件特征参数主要包括:云层类型、温度、气压、高度、小水滴粒径、液态水含量等等。在FAA FAR 25附录C中,连续最大结冰条件下的小水滴中值体积直径(MVD)范围是15~40;间断最大结冰条件下MVD范围是15~50。在FAA的过冷大水滴适航规章中,冻细雨水滴粒径分布0~500;冻雨水滴粒径分布0~1000以上。在美国空军结冰试验设计包线中,没有给出MVD与高度或其他特征参数的关系,这被认为是需要补充改进的[5]

2 小水滴粒径测量设备

国外在长期的结冰试验研究过程中,发展了多种小水滴直径测量设备,主要可以分为非光学和光学设备两大类[6]。基于非光学测量技术的设备主要有:油片测量装置和旋转多圆柱测量仪。基于光学测量技术的设备主要有:前向散射分光测量仪(FSSP)、光学阵列测量仪(OAP)、相位多谱勒粒子分析仪(PDPA)和马尔文粒径测量仪(MPSA)。

2.1油片测量装置

油片测量装置如图1所示。用于捕捉小水滴的是树脂薄片,它固定在一个特制的固定架上,薄片上涂有一层硅油膜,硅油的粘度约为5×103~5×104CS(厘托),这主要是根据硅油的流动性确定的。薄片上的搜集区长38mm,宽2.5mm。这种细窄的设计是为了最大限度地提高捕获效率。油片测量装置设计有握柄,便于人工操作移动,也可以设计安装在自动移测机构上。

油片测量装置工作原理是:油片置于结冰云气流中,当小水滴撞击油片时,就会被油膜捕获,这种测量技术假设捕获的小水滴在撞击油片后质量不变。小水滴尺寸测量由显微镜、录像机和计算机完成。油片放到显微镜下,录像机从显微镜上捕获放大的图像,存储在计算机的图像处理卡上并在显示屏上显示。测量软件自动标记每个小水滴边界并进行小水滴图像的形状、尺寸测量,形成每个小水滴数据的计算机文件。每个小水滴数据汇集后进一步处理,得到小水滴尺寸分布并计算MVD

 

1 油片装置结构图

 

油片测量的精度取决于采样暴露时间、图像分析校准和MVD计算。图像测量软件使用分划板校准。该方法在测量结冰云MVD上重复性很好,在国外许多结冰地面试验设备中应用广泛,如:英国阿廷顿结冰风洞、法国Givragc风洞、法国PAG风洞、加拿大燃气涡轮机结冰试验设备(4号试验舱)、加拿大结冰风洞设备(ITF)和直升机结冰设备(HIF)、美国罗斯蒙特结冰风洞、美国德事隆莱康明发动机结冰地面试验设备等。

2.2旋转多圆柱测量仪

如图2所示,旋转多圆柱测量仪是一种用于测量低于冰点云层中液态水含量和小水滴的中值体积直径的塔状设备,用它也可以得到粗略的小水滴尺寸分布。该装置的原理是:不同直径圆柱对小水滴采集效率不同。搜集效率随小水滴直径和风速增加而增加、随圆柱直径增加而降低。

直径为D的圆柱搜集效率E取决于:

2旋转多圆柱测量仪

1944年,LangmuirBodgett使用差分分析器确定绕无限长圆柱的小水滴轨迹,给出了EK的关系曲线。1988年,Finstad等人用计算机重新计算了小水滴轨迹,改进了小水滴阻力系数公式,给出了EK的函数关系。

旋转多圆柱置于云中的测量时间,一般要等到最小圆柱结冰后的直径大约是原直径的2倍时,这个经验法则能积聚足够质量的冰且测量的误差相对较小。结冰的圆柱在数据测量前要保持冰冻状态。每个圆柱的有关结冰参数被记录下来,每个圆柱结冰后的平均直径和冰质量被用来迭代计算结冰云的MVD。美国曾在华盛顿山上天文台和飞机上采用该装置测量结冰云参数。山上测量MVD的精度大约是±2m;飞机上使用结果表明,随小水滴尺寸和空速增加,MVD误差增加。美国通用电气发动机露天试验台、Fluidyne工程公司22´22英寸结冰风洞、法国S1MA风洞配备有该技术。挪威高斯塔托彭山、芬兰禺拉斯山上天文台也用这种方法测量结冰云中的小水滴直径。

2.3前向散射分光测量仪

前向散射分光探头(FSSP)由美国粒子测量系统公司研制,是一种用于测量自然或人工结冰云中小水滴直径的光学粒径测量仪[7]FSSP长约1m,探头中包含一个氦氖激光器、光学和电子器件,另需一台微机用作外部数据采集和处理存储数据。如图3所示,FSSP有两个与空气直流管相连的探头臂,一个臂中含有激光传输光学器件,另一个含有接收光学器件。空气直流管用来确保两个臂的结构稳定性,同时保证含有小水滴的气流垂直通过激光束。探头中的反光镜和棱镜对气流是开放的,探头前部被加热,防止结冰。直流管的前部也需加热,防止结冰堵塞管道。FSSP-100型有四个量程范围:0.5~8m1~16m2~32m2~47m,也可以根据需要,去除最小的量程0.5~8m,增加一个大量程5~95m

 

3前向散射分光测量仪原理

 

FSSP测量粒子直径的原理是:当粒子通过测量仪激光束时,粒子会产生光的散射,通过测量粒子散射光的强度就能够计算出粒子的直径。较大的粒子会产生较强的散射光,测量仪记录每一个通过测量区的粒子,经过一段时间就可以获得粒子数量对应粒子大小的柱状图,仪器的数据分析程序根据这个原始记录就可以计算出被测量粒子的分布特性等。

FSSP的校准有三种方法:1)小玻璃球法。用已知直径的小玻璃球做粒子标定向前散射分光测量仪;2)等弥散粒子发生器法。这也是一种商品化的振动粒子发生器,也被广泛用于FSSP标定;3)旋转针孔装置法。这是NASA结冰风洞研发的一种新方法,对实验室和外场都适合。其原理是旋转标定用针孔使其通过FSSP的激光束测量区,通过已知直径的针孔进行标定。

影响FSSP测量精度的环境因素是小水滴数量密度和小水滴速度。FSSP可测的数量密度上限取决于探头体积尺寸和仪器的电子电路速度。数量密度极限通常是每立方厘米500个,超过这个值,探头体积中过多的小水滴会导致计数误差和粒径测量误差。如果小水滴高速通过探头体积,FSSP会产生粒径测量误差,它是由仪器本身的电子电路极限决定的,是电路时间响应的函数。FSSP已经确定的其他误差源包括校准误差和激光束激发误差。冰颗粒导致的误差也很重要,但还没能定量分析。

FSSP测量仪广泛用于地面结冰试验设备和飞行试验结冰云测量。美国NASA IRT结冰风洞、意大利结冰研究风洞、加拿大结冰风洞设备(ITF)和直升机结冰设备(HIF)、法国S1MA风洞、高空试验舱S1R6等都配备有该测量技术。FSSP测量仪是粒径测量的早期产品,如图4所示,美国IRT风洞目前已用测量原理类似的CDP(云粒子探头)替代FSSP,二者量程一致。

 

4美国IRT风洞中的FSSPCDP粒径测量仪

 

2.4光学阵列测量仪

光学阵列测量仪(OAP) 也是由美国粒子测量系统有限公司制造,是一种常用的结冰云小水滴直径测量仪器。OAP有一维和二维两种类型,一维的仅测量直径,二维的还能提供图像,这样就能看到小水滴的形状。OAP探头包含一个激光器,两个探头臂。一个探头臂中含有激光束传输光学系统,另一个含有光学接收系统,两个探头臂都有加热装置。另外,需要一个外部系统来采集、保存、显示和计算。

OAP的原理是:如图5所示,当一个小水滴通过OAP中的激光束,光学系统就将小水滴图像传到一个线性阵列探测器上。当图像(即小水滴的阴影)通过探测器阵列的单元时,这个单元的光强度就减弱。如果强度减弱大于50%,就认定该探测单元在小水滴阴影内。小水滴通过激光束后,光强度降低50%的探测器单元数量就被记录下来,这个数量正比于小水滴直径,通过使用校准因子可以确定实际小水滴的直径。

 

5光学阵列测量仪原理

 

OAP校准方法一是将单个分散的玻璃珠样品吹入OAP探头体积,调整聚焦镜,使OAP输出值与通过探头体积的玻璃珠直径一致;另一个方法是用旋转分划板。分划板是一个直径10cm、厚度3mm的玻璃盘,盘表面镀刻了一系列已知直径的同心圆,用直流电机驱动分划板旋转,同心圆就能通过OAP探头体积,模拟小水滴提供校准。

OAP不同量程的型号很多,能够测量小到10m大到几毫米的水滴。OAP精度评估有几个因素需要考虑,包括:计数误差、焦外小水滴造成的小水滴尺寸谱变宽、重合误差、速度误差和统计不确定度。计数误差主要源自两个原因:小水滴尺寸和小水滴速度;源自小水滴轻微出焦造成的小水滴尺寸谱变宽,实验和理论都有这方面的研究,粒径测量误差大约为15%;对单粒子计数器,高数量密度会导致OAP产生重合误差;为了保证统计学上的有效采样,涉及结合有修正因子的采样问题。

OAP在地面结冰试验设备和飞行试验中广泛使用,常用于测量直径>100m的云中小水滴。目前,OAP-230X型号的量程为15~450OAP-230Y50~1500。美国NASA IRT结冰风洞、意大利结冰研究风洞、加拿大魁北克大学结冰风洞和冻雨/冻细雨设备、法国S1MA风洞、高空试验舱S1R6等都配备有该测量技术。

2.5相位多谱勒粒子分析仪

相位多谱勒粒子分析仪(PDPA)由美国气动测量有限公司制造,早期主要用于实验室和小风洞粒子播撒和燃烧分析,后经技术升级,用于结冰风洞和结冰飞行试验小水滴粒径测量。PDPA包含一个用于传输激光束的探头臂和一个用于搜集散射光的探头臂,仪器有一个外盒用于放置其他的电子装置,另需要一个微机处理、分析和存储数据。为了避免仪器上结冰需要适当加热。机载水滴分析仪(ADA)主要原理同PDPA

PDPA测量原理是[8]:如图6所示,粒子通过两束激光束的相交处造成散射光,并在远场产生边缘干涉图形,这些边缘的空间大小与粒子直径成反比。测量边缘的空间大小, PDPA接收器使用3个探测器。3个探测器产生3个相位偏移的多谱勒信号,相位的偏移与粒子大小可以用一个线性关系描述,第1个和第3个探测器的相位偏移足以测量粒子的大小。为了增加粒子测量范围并保持测量相位偏移的解析度,使用了第2个探测器,它能确认第1个和第3个探测器之间的相位偏移,同时它也能够在信号确认逻辑中提供一个独立的粒子大小测量参数。

6 PDPA原理及ADA测量仪

PDPA一般由制造商用小水滴发生器校准。PDPA工作是否正常,可以在实验室环境下,用小水滴发生器来验证,尚没有光学方法可用于试验现场验证。

精度方面可能有小水滴不圆对PDPA测量的影响。PDPA测量假设小水滴是圆形的,圆度偏差可以导致测量误差。结冰云中非圆形小水滴对小水滴直径分布测量的实际影响研究尚未见有文献。PDPA不测量非圆形粒子,从而简单地排除非圆形小水滴导致的误差。

PDPA在结冰飞行试验和结冰风洞中使用相对较少。意大利结冰风洞、美国Goodrich除冰系统公司结冰风洞、波音公司结冰风洞、法国S1MA风洞配备有该技术[9]。目前,意大利结冰风洞的ADA系统包括两个结冰探头,粒径量程范围0.5~138ADA100F),0.9~8324ADA100F/LR,不带收缩器),4.3~1426ADA100F/LR,带收缩器)。

2.6马尔文粒径测量仪

马尔文粒径测量仪(MPSA)由英国谢菲尔德大学研发,英国马尔文测量公司制造,其在高密度雾化测量上有优势,被广泛用于燃料雾化液滴粒径的分析。该仪器包括一个发射器和一个接收器,由轨道连接。发射器包含一个氦氖激光器,接收器包含镜头、探测器和采样电路,由一个微机进行数据采集和存储[10]

MPSA工作原理如图7所示。它通过分析一组小水滴的散射光来确定小水滴的直径。小水滴由激光束照射,这些小水滴的散射光在靠近前方的位置被搜集。由于靠近前方的散射由衍射主导,MPSA被归为集合衍射类仪器。激光束通过过滤并被扩展为直径9mm的光束,光束射过结冰云进行测量。散射光由同轴的30个半圆探测器分析,每个探测器对应一个不同的散射角范围,每个探测器环上光的相对功率可以用来确定小水滴粒径分布。

马尔文粒径测量仪不需要校准,工作状态确认可以用旋转分划板。如果存在问题,通常源自位置偏差或光学器件污染。目前,加拿大AIWT(高空结冰风洞)使用小玻璃珠进行校准确认,量程0.1~900,精度±1%

马尔文粒径测量仪对测量小水滴的运动速度没有限制。它假设激光束中所有小水滴分布不随时间变化。如果在测量期间实际小水滴分布发生变化,那么测到的将是一个平均分布。使用马尔文粒径测量仪时,需要先读取无小水滴时的背景读数。该读数用于补偿照射到探测器上的外来光。马尔文粒径测量仪对镜头或窗口污染、杂光反射、室内光和光学器件偏移很敏感。

7 马尔文粒径测量仪原理

马尔文粒径测量仪镜头到结冰云的工作距离应当小于镜头的焦距。因此,马尔文粒径测量仪仅能用于很小试验段的风洞中。已经有一些研究工作通过使用定制光学器件扩展测量仪的工作距离。加拿大AIWT、英国阿廷顿结冰风洞、英国航空与工业技术有限公司高空试验设备、英国劳斯莱斯结冰风洞、英国皮斯托克高空试验设备、法国高空试验舱S1R6配备有该技术[11]

2.7 发展动向

目前,美国IRT风洞和PSL-3发动机结冰设备小水滴粒径测量使用小水滴测量技术公司生产的云小水滴探头(CDP),该探头原理类似于FSSP测量仪,是一种前向散射探头,测量范围2-50m[12]。另外还配备有云成像探头(CIP)、高速成像仪(HSI)、相多普勒干涉仪(PDI)和如图8所示的双量程飞行探头(PDI-FPDR[13,14]CIP粒径测量基于影像技术,测量范围15-930mHSI的测量范围10-860mPDI测量范围0.5-1000m。美国AEDC结冰研究试验舱(R-1D)还配备有光纤光学系统(FOS)粒径测量技术[15]。作为粒子图像测速技术(PIV)的拓展,可用于粒径测量的条纹粒子图像测速和粒径测量技术(SPIVS)国外也有相关研究[16]

8 美国IRT风洞中的阿蒂姆技术公司PDI-FPDR探头

3 国内设备研发建议

飞机结冰是影响飞行安全的重要因素之一,有关飞机结冰的适航条件要求日益严格。从20世纪40年代中叶开始,美国陆续建设了以NASA IRT风洞为代表的多座航空结冰研究风洞,如波音公司的BRAIT风洞、古德里奇公司的Goodrich风洞、考克斯公司的Cox风洞等,开启了结冰风洞主导飞机结冰试验研究的时代。在长期的结冰试验研究历程中,美国从事测量设备研发的公司研制了多种小水滴粒径测量设备,并已商品化,这些测量设备已成为世界各国结冰试验研究的首选测量设备[171819]

我国飞机结冰研究起步较晚,最早的结冰风洞是建于1999年的武汉航空仪表有限公司的小型结冰风洞。近几年,随着我国自主飞行器设计的发展,飞行器的防冰设计需求迅速增长,比肩美欧的国家大型结冰风洞已经建成运行[20],一些科研院所也陆续建设了多座小型结冰风洞[21]。然而,用于结冰风洞的国产成熟小水滴粒径测量仪器极少,能买到的国外仪器品种也受限。为了更好地开展飞行器结冰试验研究,建议采取以下三个措施:

1)加大国内已引进测量设备的使用经验积累和共享交流。各种小水滴粒径测量设备都不是拿来即用型设备,其测量数据的可靠性与使用者的经验密不可分。为了减小结冰试验数据的不确定度,美国曾实施过小水滴粒径测量设备测试对比研究计划[222324]。鉴于我国各单位引进设备渠道和时期不同,可能各自拥有的设备种类、型号也不同,一个单位一般也难以拥有多种测量设备,因此,我们应尽最大可能建立设备使用的共享机制和经验交流,开展设备联合对比测试研究,提高测量数据的可靠性。

2)开展引进测量设备的校准方法研究。试验测量数据可靠性依赖于使用者的经验和设备的可靠性,设备的可靠性需要在使用过程中通过经常的校准来保证[2526]。从目前引进的小水滴测量设备情况看,一般未包括校准设备和方法。小水滴粒径测量设备校准的关键是校准源,即用已知速度和已知粒径的被测量物来标定测量仪器测量的不确定度。国外通常采用小玻璃球和分划板作为校准源,优点是速度可调、粒径恒定,可用于仪器对不同速度、不同粒径测量的校准;国内有采用标准小水滴作为校准源的校准方法研究,但这种方法需要用其他手段来精准测量小水滴粒径。

3)产学研结合,加大自主产品的开发。我国结冰试验研究处于起步阶段,对结冰问题的探索将是一个长期的过程。从未来发展看,我们需要加大产学研结合,开发具有自主知识产权的小水滴粒径测量设备,打破国外的垄断和这一瓶颈问题。目前,国内测量仪器生产单位和院校等已有相关技术的探索研究,在固体微小颗粒的测量上已有一定的经验和技术积累[2728],在此基础上,通过与结冰风洞单位的联合,消化吸收国外引进设备技术,针对结冰特殊应用环境,开发自主品牌的小水滴粒径测量设备,弥补国内这一测量设备的不足,促进结冰试验研究发展。

参考文献:

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[2] William M.L. “We freeze to please”-A history of NASA’s Icing Research Tunnel and the quest for flight safety[R]. NASA SP 2002-4226.

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[4] FAR25, Airworthiness standards: transport category airplanes[s]. FAA, 2014.

[5] SAE AIR2396. Characterization of aircraft icing conditions[s]. SAE, 2001.

[6] SAE AIR4906.Droplet sizing instrumentation used in icing facilities[S].SAE, 2007.

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[13] Laura E.K-S. Creating a bimodal drop-size distribution in the NASA Glenn Icing Research Tunnel[R]. AIAA 2017-4477, 2017.

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作者简介

战培国生于1963年,主要从事空气动力试验方向的高级工程师。

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