CN110793669B - 一种快速测定抽吸过程中滤棒温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速测定抽吸过程中滤棒温度方法，旨在提供一种烟支滤棒温度的实时简便计算方法。本发明改变了传统的滤棒实际温度的测量方法，且可以测量不同长度滤棒内部不同位置横截面的温度分布，具有计算精度高的特点；可以起到通过滤棒的基本参数即可计算实际抽吸时滤棒实际温度的作用。

Description

一种快速测定抽吸过程中滤棒温度的方法

技术领域

本发明涉及卷烟技术领域，尤其是涉及一种适用于ISO抽吸模式下在抽吸过程中滤棒温度的快速测定方法。

背景技术

卷烟滤棒温度的大小与变化，影响着卷烟的口感与风格特征，影响消费者入口处的消费体验，也是影响卷烟感官质量的重要指标之一。卷烟滤棒温度的影响因素中，除了卷烟工艺与烟丝质量外，滤棒的材料与结构是影响卷烟吸阻最重要的因素。目前测量滤棒温度仍采用单点测量方法，即利用仪器测量整个滤棒的以测试点处的温度，如欲测量某一横截面的滤棒温度，只能将滤棒分切成特定长度后再采用原方法测量或将热电偶插入滤棒中的指定位置测量点，一次测量仅可获得一个结果。分切法与单点测量法存在着操作难度大、分切后横截面不均匀带来测量误差、插入热电偶会影响滤棒结构等问题。欲测量长度较细微差别的横截面温度大小几乎无法完成，即分切精度达不到要求，而即使可以分切至固定长度，也存在由于切分段数过多造成的测量繁琐、数据量过大、不同滤棒间压降测量差异性大等问题，利用单点测量法会出现测试点多、计算量大，两种方法都需要大量的统计与计算时间，计算效率较低。同时，现有传统的计算方法只是将滤棒温度作为一个固定参数，并没有根据实际情况在不同抽吸过程中根据时间的变化进行即时计算，测试精度不高。

发明内容

为了解决分切法与单点测试法所存在的操作难度大、分切后横截面不均匀带来测量误差、测量繁琐、数据量过大、不同滤棒间温度测量差异性大等问题，本发明提出了一种适用于ISO抽吸模式下在抽吸过程中滤棒温度的计算方法，首次提出抽吸过程中滤棒温度随抽吸时间变化的计算方法，旨在保证滤棒不同截面温度场预测精度的情况下，缩短计算时间，提升计算效率。

本发明的技术解决方案具体如下：

一种快速计算抽吸过程中滤棒温度方法，包括如下步骤：

步骤(1)、采集抽吸过程的基本参数；

根据GB/T 19609-2004，ISO抽吸模式下，每口抽吸时间为2s，每60s抽吸一口，抽吸容量为35ml；ISO抽吸模式速度表达式：

；

步骤(2)、根据单元划分数据、滤棒参数建立有限元分析模型，进行单元节点编号、确定换热边界和计算节点坐标；

步骤(3)、选取湍流模型；

将烟气与烟碱流动视为定常流，其中烟碱看作连续相，在欧拉模型下进行模拟；

步骤(4)、确定计算的数学模型；

步骤(5)、确定计算的边界条件

步骤(6)、滤棒温度变化计算

滤棒的任意位置k的横截面的温度如下式：

其中，N为滤棒长度；

k为测试点距离入口面距离，mm，0≤k≤N；

y₁为逐口抽吸滤棒出口端的温度；

y₀为逐口抽吸滤棒入口端的温度。

进一步地，步骤(5)中，确定计算的边界条件包括如下步骤：

(1)确定滤嘴的特性参数：

(2)通过拼接器和滤嘴的烟气为气溶胶，包含有气、粒两相，烟碱和烟气两相；

(3)拼接器采用速度入口，速度大小随时间发生变化，在ISO抽吸模式下，

采用UDF自定义函数加载；每口抽吸时间为2s，每60s抽吸一口，抽吸容量为35ml；总共分7口抽吸，确定每口抽吸烟支与滤嘴分界处的温度，将7口抽吸的烟气温度作为拼接器进口温度的边界条件；

(4)设定入口温度。

进一步地，确定滤嘴的特性参数具体为：醋酸纤维素纤维的传热系数为0.05W/(m.k)；滤嘴作为均匀多孔介质，其孔隙率为0.77。

进一步地，确定滤嘴的特性参数具体为：气相定义为一氧化碳CO，粒相主要是烟碱，烟碱粒径较小，跟随性好；烟气中的粒子数量约为1011个/230ml，粒径呈正态分布，中位粒径为0.254μm。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供的计算方法不采用单点测试，而采用以抽吸时间为参照的拟合计算的方法，首次提出抽吸过程中滤棒温度随抽吸时间变化的计算方法，计算精度高，计算速度快。本计算方法避免采用分切滤棒，误差较小，没有因分切后横截面不均匀带来测量误差与累计误差，对于滤棒分切精度无要求，可以计算任意长度截面在卷烟抽吸过程中滤棒温度的分布，大大缩减了统计与计算时间，提升了计算效率，应用方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为t＝0.4s时滤棒温度分布图(入口端)；

图2为t＝0.8s滤棒温度分布图(入口端)；

图3为t＝1.2s滤棒温度分布图(入口端)；

图4为t＝1.6s滤棒温度分布图(入口端)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的适用于ISO抽吸模式下在抽吸过程中滤棒温度的计算方法，包括如下步骤：

步骤(1)、采集抽吸过程的基本参数

根据GB/T 19609-2004，ISO抽吸模式下，每口抽吸时间为2s，每60s抽吸一口，抽吸容量为35ml；ISO抽吸模式速度表达式：

。

步骤(2)、根据单元划分数据、滤棒参数建立有限元分析模型，进行单元节点编号、确定换热边界和计算节点坐标。

步骤(3)、选取湍流模型

模拟采用标准k-ε双方程湍流模型，非稳态3D分离隐式求解器，SIMPLE算法，标准壁面函数处理近壁面区域。将烟气与烟碱流动视为定常流，其中烟碱看作连续相，在欧拉模型下进行模拟。

步骤(4)、确定计算的数学模型

在模拟的过程中，假定认为烟碱和烟气是相互贯穿连续的多相流，各自满足量、动量和能量守恒定律。

烟气作为气溶胶，定义为连续相，烟气简化为烟碱(粒相q)和烟气(气相p)两相，作为互相贯穿连续的两相流动，在混合物(Mixture)模型下进行模拟。体积分数代表了烟碱(粒相)和烟气(气相)所占据的空间，烟气的体积分数方程如下：

其中，a_q为第q相的体积分数。

1)质量守恒方程如下：

其中：

ρ_q为q相的密度kg/m³；

v_q为q相的速度m/s；

表示P相到q相的传质，kg/(m³.s)；

表示q相到p相的传质，kg/(m³.s)；

S_mq表示是q相的质量源相，kg；

2)动量守恒方程如下：

其中：

P为压力Pa；

是q相的应力应变张量，kg/(m².s²)；

R_pq是相间的相互作用力；

F_q包括所有的外部力，其中包含粒子做布朗运动所受到的热泳力；

μ_q是q相的粘度(kg/ms)；

I是单位张量；

K_pq是相间动量交换比例系数。

3)能量守恒方程如下：

其中：H_q是q相的焓，J/kg；q_q是热通量，W/m²；Q_pq是p相与q相间的热交换，W/m²；H_pq和H_qp分别是p相与q相间的相间焓，J/kg。

相间的能量转移(Q_pq)假设为温度差的函数：

Q_pq＝h_pq(T_p-T_q)，式(7)；

其中：

h_pq是p相与q相间的传热系数，W/(m².K)；传热系数与p相Nusselt数有Nu_p有关，k_q是q相的导热系数,W/(m.K)。

步骤(5)、确定计算的边界条件

5.1确定滤嘴的特性参数：

醋酸纤维素纤维的传热系数为0.05W/(m.k)；滤嘴作为均匀多孔介质，其孔隙率为0.77。

5.2通过拼接器和滤嘴的烟气为一种气溶胶，包含有气、粒两相，烟碱(粒相q)和烟气(气相p)两相。

气相定义为一氧化碳CO，粒相主要是烟碱，烟碱粒径较小，跟随性好。烟气中的粒子数量约为1011个/230ml，粒径呈正态分布，中位粒径为0.254μm。

5.3拼接器采用速度入口，速度大小随时间发生变化，在ISO抽吸模式下，

采用UDF自定义函数加载；每口抽吸时间为2s，每60s抽吸一口，抽吸容量为35ml；总共分7口抽吸，确定每口抽吸烟支与滤嘴分界处的温度，将7口抽吸的烟气温度作为拼接器进口温度的边界条件。

5.4设定入口温度：

300K(26.85℃)，315K(41.85℃)，340K(66.85℃)，355K(81.85℃)。

步骤(6)、滤棒温度变化计算

6.1选取位置，滤棒出口Z＝30，滤嘴中部Z＝15，滤嘴后部Z＝7，滤嘴末端Z＝0。

6.2截取每口抽吸过程(2秒)中某个截面的温度数据，每0.2秒取一次数据(共有10个点)，将10个点做成曲线，得到每口抽吸的截面烟气温度变化曲线及温度变化动态仿真图。

根据上面的变化曲线得到每口抽吸的烟阻和温度的峰值及平均值，将4种抽吸温度的平均值数据做成曲线，得到选取截面的在抽吸过程中的温度变化曲线。

给出滤棒长度或计算位置，即可计算出在ISO抽吸模式下任意位置下横截面在抽吸过程中的滤棒温度。

滤棒的任意位置k的横截面的温度如下式：

其中，N为滤棒长度；

k为测试点距离入口面距离，mm，0≤k≤N；

y₁为逐口抽吸滤棒出口端的温度；

y₀为逐口抽吸滤棒入口端的温度。

随着时间的变化，滤棒的温度几乎没有任何变化。但是随着距离的变化，滤棒的温度时逐渐降低的。不同初始温度下，烟碱的温度随着时间的变化，都呈现先上升后下降的情况，吸烟入口处，接近室温的温度，不会在吸食的过程中，给人造成烫的口感。这是因为烟碱的传热相较CO要慢，并且CO的变化趋势通抽吸压力和运动速率是相同的，都呈现先上升后下降的趋势。

具体地，如图1所示，前0.4s内，烟碱刚刚进入滤嘴，就立即与醋酸纤维传热，使得烟碱温度大大降低，滤嘴内的温度也随之提高。烟碱呈锥形流入滤嘴内，温度的变化也呈现锥形，中心温度最高，沿径向方向不断降低。

如图2所示，0.8s时，烟气持续进入滤嘴但还没完全穿透滤嘴，烟碱温度继续下降，并且呈现出分层的现象。

如图3所示，1.2s时，烟气继续通过滤嘴向吸食端扩散，并在滤嘴内发生传热现象，烟碱温度持续下降。

如图4所示，1.6s，烟气继续通过滤嘴向吸食端扩散，已完全在滤嘴内完成扩散过程，烟碱温度持续下降。仿真图可以高精度拟合烟气在滤棒中分布情况，具有准确、直观的特点。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种快速计算抽吸过程中滤棒温度方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、采集抽吸过程的基本参数

根据GB/T 19609-2004，ISO抽吸模式下，每口抽吸时间为2s，每60s抽吸一口，抽吸容量为35ml；ISO抽吸模式速度表达式：

步骤(2)、根据单元划分数据、滤棒参数建立有限元分析模型，进行单元节点编号、确定换热边界和计算节点坐标；

步骤(3)、选取湍流模型

模拟采用标准k-ε双方程湍流模型，非稳态3D分离隐式求解器，SIMPLE算法，标准壁面函数处理近壁面区域，将烟气与烟碱流动视为定常流，其中烟碱看作连续相，在欧拉模型下进行模拟；

步骤(4)、确定计算的数学模型

在模拟的过程中，假定认为烟碱和烟气是相互贯穿连续的多相流，各自满足量、动量和能量守恒定律；

烟气作为气溶胶，定义为连续相，烟气简化为烟碱粒相q和烟气气相p两相，作为互相贯穿连续的两相流动，在混合物Mixture模型下进行模拟；体积分数代表了烟碱粒相和烟气气相所占据的空间，烟气的体积分数方程如下：

其中，α_q为第q相的体积分数；

1)质量守恒方程如下：

其中：

ρ_q为q相的密度kg/m³；

v_q为q相的速度m/s；

表示p相到q相的传质，kg/(m³.s)；

表示q相到p相的传质，kg/(m³.s)；

S_mq表示是q相的质量源相，kg；

2)动量守恒方程如下：

其中：

P为压力Pa；

是q相的应力应变张量，kg/(m².s²)；

R_pq是相间的相互作用力；

F_q包括所有的外部力，其中包含粒子做布朗运动所受到的热泳力；

μ_q是q相的粘度，kg/ms；

I是单位张量；

K_pq是相间动量交换比例系数；

3)能量守恒方程如下：

其中：H_q是q相的焓，J/kg；q_q是热通量，W/m²；Q_pq是p相与q相间的热交换，W/m²；H_pq和H_qp分别是p相与q相间的相间焓，J/kg；

相间的能量转移Q_pq假设为温度差的函数：

Q_pq＝h_pq(T_p-T_q)，式(7)；

其中：

h_pq是p相与q相间的传热系数，W/(m².K)；传热系数与p相Nusselt数Nu_p有关，k_q是q相的导热系数，W/(m.K)；

步骤(5)、确定计算的边界条件

5.1确定滤嘴的特性参数：

醋酸纤维素纤维的传热系数为0.05W/(m.k)；滤嘴作为均匀多孔介质，其孔隙率为0.77；

5.2通过拼接器和滤嘴的烟气为一种气溶胶，包含有气、粒两相，烟碱即粒相q，和烟气即气相p两相；

气相定义为一氧化碳CO，粒相主要是烟碱，烟碱粒径较小，跟随性好。烟气中的粒子数量约为1011个/230ml，粒径呈正态分布，中位粒径为0.254μm；

5.3拼接器采用速度入口，速度大小随时间发生变化，在ISO抽吸模式下，

采用UDF自定义函数加载；每口抽吸时间为2s，每60s抽吸一口，抽吸容量为35ml；总共分7口抽吸，确定每口抽吸烟支与滤嘴分界处的温度，将7口抽吸的烟气温度作为拼接器进口温度的边界条件；

5.4设定入口温度；

步骤(6)、滤棒温度变化计算

6.1选取位置，滤棒出口Z＝30，滤嘴中部Z＝15，滤嘴后部Z＝7，滤嘴末端Z＝0；

6.2截取每口抽吸过程中某个截面的温度数据，每0.2秒取一次数据，共有10个点，将10个点做成曲线，得到每口抽吸的截面烟气温度变化曲线及温度变化动态仿真图；

根据上面的变化曲线得到每口抽吸的烟阻和温度的峰值及平均值，将4种抽吸温度的平均值数据做成曲线，得到选取截面的在抽吸过程中的温度变化曲线；

给出滤棒长度或计算位置，即可计算出在ISO抽吸模式下任意位置下横截面在抽吸过程中的滤棒温度；

滤棒的任意位置k的横截面的温度如下式：

其中，N为滤棒长度；

k为测试点距离入口面距离，mm，0≤k≤N；

y₁为逐口抽吸滤棒出口端的温度；

y₀为逐口抽吸滤棒入口端的温度。

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