CN106108107A - 一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的模型化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的模型化设计方法，其特征在于：是以卷烟结构特征参数和卷烟物性特征参数为变量，以卷烟总通风率、滤嘴通风率，以及吸阻为目标函数，通过调整卷烟结构与物性参数获得一种满足卷烟设计要求的优化方法。本发明提供一种基于卷烟结构参数与物性参数的卷烟吸阻与总通风率数学模型表达式，根据卷烟设计要求优化模型表达式，最终获得卷烟结构与物性特征参数。其优点在于：1)对卷烟总通风率、滤嘴通风率与吸阻实现了同时优化设计；2)对卷烟结构参数与物性参数设计提供了定量设计要求；3）卷烟设计优化方法准确、方便、可靠。

Description

一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率 以及吸阻的模型化设计方法

技术领域

本发明涉及卷烟参数设计，具体是一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的模型化设计方法。即提供一种基于卷烟结构参数与物性参数的卷烟吸阻与总通风率数学模型表达式，根据卷烟设计要求优化模型表达式，最终获得卷烟结构与物性特征参数。

背景技术

卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻是卷烟产品设计时需要考虑的主要指标之一，在很大程度上影响卷烟焦油释放量、感官感受等重要产品质量特性。卷烟结构参数包括卷烟总长度、卷烟半径、烟丝段长度、滤嘴段长度、卷烟纸长度、接装纸长度、卷烟纸厚度与成型纸厚度。卷烟物性参数包括烟丝段渗透系数、滤嘴渗透系数、卷烟纸透气度、成型纸透气度。卷烟吸阻是卷烟抽吸感的关键评价指标，必须保持在适当的范围内。卷烟总通风率和滤嘴通风率是卷烟降焦减害的重要设计参数。采用单因素实验的方法设计卷烟的吸阻与总通风率，一般并不能同时满足卷烟吸阻和总通风率的设计要求，因为两者共同受到卷烟结构参数与物性参数的相互作用。因此，建立基于结构特征参数与物性特征参数的卷烟吸阻与总通风率数学模型十分必要。“一种调整卷烟烟支总通风率的方法（CN201410411728.3）公开了卷烟烟支总通风率与梗丝填充值之间存在的线性回归关系，但是并没有类似的专利关注同时满足卷烟吸阻与总通风率要求的优化设计方法。

发明内容

本发明的目的正是基于上述现有技术状况而提供了一种基于卷烟结构参数与物性参数的卷烟吸阻与总通风率的模型化设计方法，该模型能够同时优化卷烟的吸阻与总通风率，为卷烟设计提供数据指导。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的模型化设计方法，是以卷烟结构特征参数和卷烟物性特征参数为变量，以卷烟总通风率、滤嘴通风率，以及吸阻为目标函数，通过调整卷烟结构与物性参数获得一种满足卷烟设计要求的优化方法，具体步骤如下：

1）检测现有卷烟的结构参数与物性参数，卷烟结构参数包括卷烟总长度、卷烟半径、烟丝段长度、滤嘴段长度、卷烟纸长度、接装纸长度、卷烟纸厚度与成型纸厚度；卷烟物性参数包括烟丝段渗透系数、滤嘴渗透系数、卷烟纸透气度、成型纸透气度，检测卷烟的总通风率、滤嘴通风率以及吸阻；

2）根据卷烟通风孔的设计要求，将卷烟分为无滤嘴通风孔，一排滤嘴通风孔，两排滤嘴通风孔三种滤嘴通风结构的卷烟；基于卷烟的结构与物性特征，做出以下主要假设：（1）空气在卷烟内的流动为一维流动，从文献中的数值模拟结果可以证实该假设成立；（2）空气在卷烟烟丝段、滤嘴段、卷烟纸、卷烟成型纸中的流动均满足达西定律；（3）卷烟接装纸除了通风孔外区域均不透气；（4）卷烟和空气物性参数在气流流动过程中保持固定不变，在环境温湿度为温度（22+/-2）℃，湿度（60+/-5）%条件下的数值,；（5）卷烟气流入口端、卷烟纸以及滤嘴通风孔外围均为大气压，压降p为0，基于以上假设，根据气流质量连续性方程衡算，建立卷烟总通风率，滤嘴通风率以及吸阻和卷烟结构参数与物性参数之间关系的数学模型表达式：

A.卷烟总通风率模型表达式为

式中表示卷烟总通风率，表示卷烟结构参数与物性参数的函数；表示卷烟烟丝段渗透系数，单位m²; 表示空气黏度，单位Pa∙s，表示双曲正弦函数，表示双曲余弦函数，表示卷烟纸段长度，单位m；表示卷烟纸透气度，单位CU；表示卷烟半径，单位m；

是卷烟结构参数与物性参数的函数

式中，表示每排滤嘴通风孔的个数，表示每个通风孔的半径，单位m²；表示成型纸透气度，单位CU；表示滤嘴的渗透系数，单位m²；

是卷烟结构参数与物性参数的函数

式中表示卷烟烟丝段长度，单位m；表示卷烟滤嘴第1排孔位置，单位m；表示卷烟滤嘴第2排孔位置，单位m；

B.卷烟滤嘴通风率模型表达式为

式中表示卷烟滤嘴通风率；

C.卷烟吸阻模型表达式为

式中表示卷烟吸阻，单位Pa；

表示卷烟结构参数与物性参数的函数

式中表示卷烟总长度，单位m；

表示卷烟结构参数与物性参数的函数

3）根据卷烟的设计目标，即总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的目标值分别为，，，以卷烟总通风率，滤嘴通风率以及吸阻的表达式与目标值之间的绝对差值作为优化目标函数，然后将卷烟结构参数与物性参数的设计取值范围作为约束条件；同时确定卷烟结构参数与物性参数的设计范围；优化目标函数表达式为

约束条件表达式为

式中，表示卷烟烟丝段渗透系数取值的最小值与最大值，，表示卷烟滤嘴段渗透系数取值的最小值与最大值，，表示卷烟纸透气度取值的最小值与最大值，，表示成型纸透气度取值的最小值与最大值；

4）采用数值优化算法对目标函数进行优化，获得卷烟最佳结构参数与物性参数，同时获得卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的最优取值，完成卷烟化设计。

本发明具有以下优点：1)对卷烟总通风率、滤嘴通风率与吸阻实现了同时优化设计；2)对卷烟结构参数与物性参数设计提供了定量设计要求3）卷烟设计优化方法准确、方便、可靠。

附图说明

图1是本发明的设计流程框图。

具体实施方式

本发明以下结合实施例（附图）做进一步描述：

某品牌卷烟设计要求如表1所示

1）该品牌结构参数与物性参数检测结果如表1所示。

表1卷烟参数检测结果

2）根据该卷烟无通风孔的结构特征，成型纸的透气度为0，相应的模型表达式中参数为0，简化模型表达式。

3）根据卷烟的设计目标，设计要求如表2所示。卷烟结构参数固定不变，卷烟烟丝段渗透系数，滤嘴段渗透系数，卷烟纸透气度为优化变量，并给出其取值范围。具体目标函数的表达式为，约束条件为

表2卷烟设计要求

4）采用MATLAB软件最优化工具箱对上述多目标优化目标函数进行优化，求得其中一组最优解，此品牌卷烟优化结果如表3所示

表3卷烟优化结果

从以上实施例可以看出，采用本发明的方法可以获得满足卷烟设计要求的卷烟结构与物性参数数据。

Claims (1)

1.一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的模型化设计方法，其特征在于：是以卷烟结构特征参数和卷烟物性特征参数为变量，以卷烟总通风率、滤嘴通风率，以及吸阻为目标函数，通过调整卷烟结构与物性参数获得一种满足卷烟设计要求的优化方法，具体步骤如下：

1）检测现有卷烟的结构参数与物性参数，卷烟结构参数包括卷烟总长度、卷烟半径、烟丝段长度、滤嘴段长度、卷烟纸长度、接装纸长度、卷烟纸厚度与成型纸厚度；卷烟物性参数包括烟丝段渗透系数、滤嘴渗透系数、卷烟纸透气度、成型纸透气度，检测卷烟的总通风率、滤嘴通风率以及吸阻；

2）根据卷烟通风孔的设计要求，将卷烟分为无滤嘴通风孔，一排滤嘴通风孔，两排滤嘴通风孔三种滤嘴通风结构的卷烟；基于卷烟的结构与物性特征，做出以下主要假设：（1）空气在卷烟内的流动为一维流动，从文献中的数值模拟结果可以证实该假设成立；（2）空气在卷烟烟丝段、滤嘴段、卷烟纸、卷烟成型纸中的流动均满足达西定律；（3）卷烟接装纸除了通风孔外区域均不透气；（4）卷烟和空气物性参数在气流流动过程中保持固定不变，在环境温湿度为温度（22+/-2）℃，湿度（60+/-5）%条件下的数值,；（5）卷烟气流入口端、卷烟纸以及滤嘴通风孔外围均为大气压，压降为0，基于以上假设，根据气流质量连续性方程衡算，建立卷烟总通风率，滤嘴通风率以及吸阻和卷烟结构参数与物性参数之间关系的数学模型表达式：

A.卷烟总通风率模型表达式为

式中表示卷烟总通风率，表示卷烟结构参数与物性参数的函数；表示卷烟烟丝段渗透系数，单位m²; 表示空气黏度，单位Pa∙s，表示双曲正弦函数，表示双曲余弦函数，表示卷烟纸段长度，单位m；表示卷烟纸透气度，单位CU；表示卷烟半径，单位m；

是卷烟结构参数与物性参数的函数

式中，表示每排滤嘴通风孔的个数，表示每个通风孔的半径，单位m²；表示成型纸的透气度，单位CU；表示滤嘴的渗透系数，单位m²；

是卷烟结构参数与物性参数的函数

式中表示卷烟烟丝段长度，单位m；表示卷烟滤嘴第1排孔位置，单位m；表示卷烟滤嘴第2排孔位置，单位m；

B.卷烟滤嘴通风率模型表达式为

式中表示卷烟滤嘴通风率；

C.卷烟吸阻模型表达式为

式中表示卷烟吸阻，单位Pa；

表示卷烟结构参数与物性参数的函数

式中表示卷烟总长度，单位m；

表示卷烟结构参数与物性参数的函数

3）根据卷烟的设计目标，即总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的目标值分别为，，，以卷烟总通风率，滤嘴通风率以及吸阻的表达式与目标值之间的绝对差值作为优化目标函数，然后将卷烟结构参数与物性参数的设计取值范围作为约束条件；同时确定卷烟结构参数与物性参数的设计范围；优化目标函数表达式为

约束条件表达式为

式中，表示卷烟烟丝段渗透系数取值的最小值与最大值，，表示卷烟滤嘴段渗透系数取值的最小值与最大值，，表示卷烟纸透气度取值的最小值与最大值，，表示成型纸透气度取值的最小值与最大值；

4）采用数值优化算法对目标函数进行优化，获得卷烟最佳结构参数与物性参数，同时获得卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的最优取值，完成卷烟化设计。