CN118203146A - 一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法 - Google Patents

一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，具体包括如下步骤：S1、根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型；S2、基于流体力学基本原理，构建各部分压降与流量的关系；S3、根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式；S4、将烟支参数代入表达式获得吸阻和通风率的预测数值。本发明提供的预测模型得到了吸阻和通风率关于烟支基本结构参数的解析表达式，从而使相关领域生产和研发人员在设计加热卷烟时能够根据结构参数直接计算来对烟支吸阻和通风率进行精确预测。

Description

一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测 方法
技术领域
本发明属于加热卷烟产品设计领域，具体涉及一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法。
背景技术
加热卷烟是以“加热不燃烧”为思路设计“相对低温卷烟”，是新型烟草制品的重要品类之一。加热卷烟具有与传统卷烟相似的消费方式，消费者可以获得与传统卷烟相似的满足感和香气香味体验，因此被广大消费者所接受。同时，加热卷烟一般将烟草原料加热到200-350℃温度范围内产生烟气，抑制了烟草原料高温裂解反应的发生，产生的有害物质大大降低，对人体健康和公共卫生安全的危害性较小，因此其市场份额逐步提升。
加热卷烟一般由发烟段、冷却段和过滤段三部分构成，具有通风孔的空纸管段是目前加热卷烟普遍采用的一种降温冷却结构，无论国外和国内烟草企业，抑或是各种圆周、长度类型的加热卷烟都有采用这种结构的产品上市。从通风孔进入的空气与发烟段生成的烟气混合，冷却效果直接影响吸食烟气温度和烟雾量，各功能段的阻力特性影响烟支吸阻，都密切关系消费者的感官体验。因此，烟支吸阻和通风率的准确预测对加热卷烟设计十分重要。
王乐等在《基于线性网络模型的卷烟吸阻及通风特征预测方法》(烟草科技，2017.12)中将卷烟吸阻类比电路中的电阻，提出了一种线性网络模型来预测传统卷烟的吸阻和通风，获得了较好的预测效果。但根据国标GB/T23227-2018《透气度的测定》，很多纸张的流量与压差关系是非线性的，因此该方法的通用性和准确性受到一定限制。另一方面，王乐等的方法中通风计算采用透气度这一实验参数，但加热卷烟往往采用在线打孔方式，难以获得透气度参数，因此也无法使用此方法预测吸阻和通风。
目前，也有一些文献采用数值模拟的方法计算烟支吸阻或通风率，但数值模拟需要有较强的几何建模、网格划分和模型求解能力，一般由专业技术人员实施，时间成本也较高，难以向卷烟生产和研发人员推广。
发明内容
为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风的预测方法，根据流体力学基本原理，解析了烟支吸阻和通风与烟支及通风孔结构参数之间的关系，可用于快速、准确地计算加热卷烟吸阻和通风率。
本发明采用的技术方案是：
一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型；
S2、基于流体力学基本原理，构建各部分压降与流量的关系；
S3、根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式；
S4、将烟支参数代入表达式获得吸阻和通风率的预测数值。
进一步的，在步骤S1中，根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型的具体步骤如下：
S11、发烟段和各通风孔之间为并联关系，则空气通过发烟段的阻力与通过各小孔的压降相同，因此有：
P1＝P21＝P22＝…＝P2i＝…＝P2n (1)
其中，n为通风孔的总数量，i表示第i个通风孔，P1是空气通过发烟段的压降，P2i为空气通过第i个通风孔的局部压降。
S12、通过过滤段的空气是由发烟段和各个通风孔空气流量汇聚而来，因此过滤段的空气流量为发烟段和通风孔流量的加和：
其中，q1是发烟段内部空气流量，q2i为流经第i个通风孔的空气流量，q3为过滤段内部空气流量。
依据国标GB/T 22838.5-2009《卷烟和滤棒物理性能的测定第5部分：卷烟吸阻和滤棒压降》，吸阻是维持输出端流速为17.5mL/s时对输出端施加的负压；因此，过滤段流量为常数：
q3＝const＝17.5 mL/s (3)
进一步的，在步骤S2中，基于流体力学基本原理，建立烟支各部分压降和气体流量间的关系的具体步骤如下：
S21、发烟段压降和气体流量符合达西定律：
其中，A1是发烟段截面积，l1是发烟段长度，k1是发烟段的渗透率，μ是空气的动力粘度；
S22、局部压力损失与流体的动能直接相关，根据局部压力损失的表达式，空气流经通风孔的局部压力损失为：
其中，A0i为第i个通风孔的面积，Cdi为第i个小孔的流量系数，ρ为空气的密度；
S23、过滤段压降规律与发烟段类似，压降和气体流量同样符合达西定律：
其中，P3表示空气通过过滤段的压降，A3是过滤段截面积，l3是过滤段长度，k3为过滤段的渗透率。
进一步的，在步骤S3中，根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式的具体步骤如下：
上述式(1)～(6)构成封闭方程组，对方程组进行求解，获得吸阻和通风率的表达式：
其中，是求解方程所需的换元中间量，/>
加热卷烟吸阻为：
将式(7)代入式(8)即可得到加热卷烟吸阻；
加热卷烟的通风率为：
将式(7)代入式(9)可得加热卷烟通风率；
发烟段长度和直径、过滤段长度和直径、通风孔直径和个数均为设计参数，通过式(8)和式(9)可以计算任意设计参数下的加热卷烟吸阻和通风率。
进一步的，在步骤S2中，发烟段和过滤段的渗透率通过实验获得，具体方法为：
在不同流量下测试空气通过发烟段或滤棒的压降，对获得的流量-压降数据进行线性拟合，得到：
P＝k′Q (10)
其中，P为发烟段或滤棒的压降，Q为测试流量，k′是线性拟合系数。
则发烟段或滤棒的渗透率k：
其中，μ为空气的动力粘度，l和A分别为测试段的长度和截面积。一般来说，烟丝配方和滤嘴填丝参数稳定时，可认为发烟段和过滤段的渗透率不变。
进一步的，在步骤S3中，通风孔的流量系数Cdi为经验系数，在0.6-0.7之间，当通风孔数量和面积变化不大时，可认为Cdi为固定值，可以通过对已有烟支进行实验测量校验获得Cdi，具体步骤如下：
测试已有烟支的吸阻和通风率，将已有烟支的发烟段长度、直径和渗透率，过滤段长度、直径和渗透率，及通风孔的面积和数量代入式(7)-(9)，调整流量系数Cdi，使式(8)和式(9)的计算吸阻及通风率与实验测得的一致，则此时的Cdi值即为可用于后续设计计算的流量系数的取值。
一般来说，一支加热卷烟上各通风孔的大小可以看作是相同的，则方程组(1)-(6)可简化为：
P1＝P2 (15)
q3＝q1+nq2 (16)
q3＝const＝17.5 mL/s (17)
式中，P2为空气流经通风孔的压降，q2是单个通风孔内的空气流量，A0为单个通风孔的面积，Cd是气体流经通风孔的流量系数。
解封闭方程组(12)-(17)得：
其中，
加热卷烟吸阻为：
加热卷烟通风率为：
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明提供的预测模型得到了吸阻和通风率关于烟支基本结构参数的解析表达式，从而使相关领域生产和研发人员在设计加热卷烟时能够根据结构参数直接计算来对烟支吸阻和通风进行精确预测。
2、通过本发明的实施，在加热卷烟设计阶段，减少了生产试制或复杂数值模拟的成本投入，帮助生产人员更好地掌握产品性能，提高了研发效率；避免了复杂数值模拟的人力限制，实现了加热卷烟吸阻和通风率的快速精准预测。
3、本发明解决了原有线性模型不能适用于加热卷烟的问题，并具有比线性模型更高的预测精度。
4、本发明对加热卷烟的质量判定和产品结构设计都具有指导意义,特别适用于在线打孔方式生产的加热卷烟。
5、本发明可以根据加热卷烟设计参数，尤其是烟支的长度、直径和通风孔的面积和数量，通过计算直接预测烟支的吸阻和通风率。与现有的线性网络模型相比，更适合于加热卷烟生产前吸阻和通风指标的精准预测，提升了研发人员对加热卷烟的定向设计效率和质量控制水平。
附图说明
图1为本发明加热卷烟结构示意图。
图2为本发明加热卷烟各段吸阻的网络模型。
图3为本发明基于非线性网络模型预测加热卷烟吸阻和通风率的方法步骤。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合示例性实施例来详细说明本发明。
参考图1，是加热卷烟结构示意图，包括发烟段1，冷却段2，通风孔21，过滤段3。抽吸时，外部空气一部分通过发烟段1端部进入烟支内，另一部分通过通风孔21进入烟支，两者形成并联关系，汇聚后的气流经过滤段3流出烟支。冷却段2空腔压降很小(2-3Pa)，忽略不计。
本实施例公开了一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降的网络模型，基于流体力学基本原理，构建各部分压降与流量的关系，根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风的表达式，最后将烟支参数代入表达式获得吸阻和通风的预测数值。具体步骤如下：
根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型的具体步骤如下：
S11、发烟段和各通风孔之间为并联关系，则空气通过发烟段的阻力与通过各小孔的压降相同，因此有：
P1＝P21＝P22＝…＝P2i＝…＝P2n (1)
其中，n为通风孔的总数量，i表示第i个通风孔，P1是空气通过发烟段的压降，P2i为空气通过第i个通风孔的局部压降。
S12、通过过滤段的空气是由发烟段和各个通风孔空气流量汇聚而来，因此过滤段的空气流量为发烟段和通风孔流量的加和：
其中，q1是发烟段内部空气流量，q2i为流经第i个通风孔的空气流量，q3为过滤段内部空气流量。
依据国标GB/T 22838.5-2009《卷烟和滤棒物理性能的测定第5部分：卷烟吸阻和滤棒压降》，吸阻是维持输出端流速为17.5mL/s时对输出端施加的负压；因此，过滤段流量为常数：
q3＝const＝17.5 mL/s (3)
基于流体力学基本原理，建立烟支各部分压降和气体流量间的关系的具体步骤如下：
S21、发烟段压降和气体流量符合达西定律：
其中，A1是发烟段截面积，l1是发烟段长度，k1是发烟段的渗透率，μ是空气的动力粘度；
S22、局部压力损失与流体的动能直接相关，根据局部压力损失的表达式，空气流经通风孔的局部压力损失为：
其中，A0i为第i个通风孔的面积，Cdi为第i个小孔的流量系数，ρ为空气的密度；
S23、过滤段压降规律与发烟段类似，压降和气体流量同样符合达西定律：
其中，P3表示空气通过过滤段的压降，A3是过滤段截面积，l3是过滤段长度，k3为过滤段的渗透率。
根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式的具体步骤如下：
上述式(1)～(6)构成封闭方程组，对方程组进行求解，获得吸阻和通风率的表达式：
其中，是求解方程所需的换元中间量，/>
加热卷烟吸阻为：
将式(7)代入式(8)即可得到加热卷烟吸阻；
加热卷烟的通风率为：
将式(7)代入式(9)可得加热卷烟通风率；
发烟段长度和直径、过滤段长度和直径、通风孔直径和个数均为设计参数，通过式(8)和式(9)可以计算任意设计参数下的加热卷烟吸阻和通风率。
发烟段和过滤段的渗透率通过实验获得，具体方法为：
在不同流量下测试空气通过发烟段或滤棒的压降，对获得的流量-压降数据进行线性拟合，得到：
P＝k′Q (10)
其中，P为发烟段或滤棒的压降，Q为测试流量，k′是线性拟合系数。
则发烟段或滤棒的渗透率：
其中，μ为空气的动力粘度，l和A分别为测试段的长度和截面积。一般来说，烟丝配方和滤嘴填丝参数稳定时，可认为发烟段和过滤段的渗透率不变。
通风孔的流量系数Cdi为经验系数，在0.6-0.7之间，当通风孔数量和面积变化不大时，可认为Cdi为固定值，可以通过对已有烟支进行实验测量校验获得Cdi，具体步骤如下：
测试已有烟支的吸阻和通风率，将已有烟支的发烟段长度、直径和渗透率，过滤段长度、直径和渗透率，及通风孔的面积和数量代入式(7)-(9)，调整流量系数Cdi，使式(8)和式(9)的计算吸阻及通风率与实验测得的一致，则此时的Cdi值即为可用于后续设计计算的流量系数的取值。
一般来说，一支加热卷烟上各通风孔的大小可以看作是相同的，则方程组(1)-(6)可简化为：
P1＝P2 (15)
q3＝q1+nq2 (16)
q3＝const＝17.5 mL/s (17)
式中，P2为空气流经通风孔的压降，q2是单个通风孔内的空气流量，A0为单个通风孔的面积，Cd是气体流经通风孔的流量系数。
解封闭方程组(12)-(17)得：
其中，
加热卷烟吸阻为：
加热卷烟通风率为：
具体的，在本实施例中，
第一：获取原型烟支结构参数
选取浙江中烟工业有限责任公司生产的加热卷烟(YIN)产品，具体参数为细支规格卷烟，烟支整体长度84mm(发烟段42mm，降温段32mm，过滤段10mm)，烟支周长16.8mm。原型烟支通风孔结构为两排圆孔，每排19孔。在打孔综合质量平台上对通风孔进行检测，获得单个通风孔的平均面积为1.72034×10-8m2(等效直径0.148mm)。烟支结构参数汇总如下表1所示。
表1烟支结构参数汇总
第二：获取原型烟支阻力参数
截取原型烟支的发烟段，通过重量筛选选取5支重量相似的发烟段，在流量-压降平台上进行5组平行试验，获得发烟段的流量-压降曲线并做线性拟合，得到P＝k′Q，则发烟段的渗透率对五组平行实验数据取平均值，得到发烟段渗透率为k1＝5.98802×10-10m2。对烟支所使用的滤棒进行相同实验和数据处理，得到滤棒的渗透率为k3＝5.88235×10-10m2。
在QTM测试台对原型烟支进行检测，获得烟支吸阻为P＝623.4Pa，通风率为η＝60.3％。将烟支结构参数l1、l3、A1、A3、A0、n和烟支阻力参数k1、k3代入式(21)和式(22)，校核调整流量系数Cd的值，使计算的吸阻和通风率与实验值接近，最终得到原型烟支通风孔流量系数Cd＝0.65，计算吸阻为638.8Pa，与实验吸阻的误差为2.5％，计算通风率为61.8％，与实验通风率的误差为2.7％。原型烟支阻力参数汇总如下表2所示。
表2原型烟支阻力参数汇总
第三：根据设计参数预测改型烟支的吸阻和通风率
根据上述方法得到的烟支阻力参数和改型烟支的设计参数预测改型烟支的吸阻和通风率。
改型烟支结构参数不变，通风孔仍为两排圆孔，但设计了新的参数：
方案一是每个通风孔面积不变，将每排孔数改为24个；
方案二是保持孔数不变，通风孔的直径增大为0.17mm(面积为2.26980×10-8m2)。
将新的设计参数代入式(21)和式(22)，预测改型烟支的吸阻和通风率，并通过后续生产检验预测数据的准确性。改型烟支吸阻和通风的计算和测试数据如下：
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型；
S2、基于流体力学基本原理，构建各部分压降与流量的关系；
S3、根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式；
S4、将烟支参数代入表达式获得吸阻和通风率的预测数值。
2.如权利要求1所述的一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，在步骤S1中，烟支各部分压降或流量的网络模型如下：
S11、发烟段和各通风孔之间为并联关系，则空气通过发烟段的阻力与通过各小孔的压降相同，因此有：
P1＝P21＝P22＝…＝P2i＝…＝P2n (1)
其中，n为通风孔的总数量，i表示第i个通风孔，P1是空气通过发烟段的压降，P2i为空气通过第i个通风孔的局部压降；
S12、通过过滤段的空气是由发烟段和各个通风孔空气流量汇聚而来，因此过滤段的空气流量为发烟段和通风孔流量的加和：
其中，q1是发烟段内部空气流量，q2i为流经第i个通风孔的空气流量，q3为过滤段内部空气流量；
依据国标GB/T 22838.5-2009《卷烟和滤棒物理性能的测定第5部分：卷烟吸阻和滤棒压降》，吸阻是维持输出端流速为17.5mL/s时对输出端施加的负压；因此，过滤段流量为常数：
q3＝const＝17.5 mL/s (3)。
3.如权利要求1所述的一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，在步骤S2中，基于流体力学基本原理，建立烟支各部分压降和气体流量间的关系的具体步骤如下：
S21、发烟段压降和气体流量符合达西定律：
其中，A1是发烟段截面积，l1是发烟段长度，k1是发烟段的渗透率，μ是空气的动力粘度；
S22、局部压力损失与流体的动能直接相关，根据局部压力损失的表达式，空气流经通风孔的局部压力损失为：
其中，A0i为第i个通风孔的面积，Cdi为第i个小孔的流量系数，ρ为空气的密度；
S23、过滤段压降规律与发烟段类似，压降和气体流量同样符合达西定律：
其中，P3表示空气通过过滤段的压降，A3是过滤段截面积，l3是过滤段长度，k3为过滤段的渗透率。
4.如权利要求1所述的一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，在步骤S3中，根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式如下：
上述式(1)～(6)构成封闭方程组，对方程组进行求解，获得发烟段内气体流量为：
其中，是求解方程所需的换元中间量，/>
加热卷烟吸阻表达式为：
将式(7)代入式(8)即可得到加热卷烟吸阻；
加热卷烟的通风率表达式为：
将式(7)代入式(9)可得加热卷烟通风率；
发烟段长度和直径、过滤段长度和直径、通风孔直径和个数均为设计参数，通过式(8)和式(9)可以计算任意设计参数下的加热卷烟吸阻和通风率。
5.如权利要求1所述的一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，在步骤S2中，发烟段和过滤段的渗透率通过实验获得，具体方法为：
在不同流量下测试空气通过发烟段或滤棒的压降，对获得的流量-压降数据进行线性拟合，得到：
P＝k′Q (10)
其中，P为发烟段或滤棒的压降，Q为测试流量，k′是线性拟合系数；
则发烟段或滤棒的渗透率k：
其中，μ为空气的动力粘度，l和A分别为测试段的长度和截面积。
6.如权利要求1所述的一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，在步骤S3中，通风孔的流量系数Cdi为经验系数，一般在0.6-0.7之间，当通风孔数量和面积变化不大时，可认为Cdi为固定值，可以通过对已有烟支进行实验测量校验获得Cdi，具体步骤如下：
测试已有烟支的吸阻和通风率，将已有烟支的发烟段长度、直径和渗透率，过滤段长度、直径和渗透率，及通风孔的面积和数量代入式(7)-(9)，调整流量系数Cdi，使式(8)和式(9)的计算吸阻及通风率与实验测得的一致，则此时的Cdi值即为可用于后续设计计算的流量系数的取值。
7.如权利要求1所述的一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，如果烟支上各通风孔的大小可看作是相同的，则S1、S2中构建的方程组可简化为：
P1＝P2 (12)
q3＝q1+nq2 (13)
q3＝const＝17.5 mL/s (14)
式中，P2为空气流经通风孔的压降，q2是单个通风孔内的空气流量，A0为单个通风孔的面积，Cd是气体流经通风孔的流量系数；
解封闭方程组(12)-(17)得：
其中，
加热卷烟吸阻为：
加热卷烟通风率为：
将烟支设计参数代入式(21)和式(22)可以获得吸阻和通风率的计算值。
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