1.本发明属于卷烟滤棒设计领域，种高特别是降温计方涉及一种高降温效率的卷烟滤棒设计方法。
背景技术：
2.加热不燃烧卷烟是效率通过特殊的加热元件对烟草物质进行加热，使烟草中的烟滤雾化介质和香味物质雾化释放的一款新型卷烟。但由于受滤棒长度及相变降温材料能力的棒设限制，高温雾化烟气通过滤棒进入口腔时的种高温度会高于普通燃烧卷烟出口烟气的温度，使得消费者抽吸时口中会略有灼烧的降温计方感觉，因此需要寻找提高滤棒的效率降温效率。
3.目前针对烟气降温的烟滤方法主要由两种途径：一是研发高效的降温材料；二是设计高效的降温结构。但这些降温材料的棒设毒理性分析尚不完全，无法确定其是种高否对人体有害，而降温结构采用的降温计方却是物理降温的方法，这是效率一种相对更为安全的降温方式。
4.为综合评价滤棒的烟滤降温与压降，引入了降温效率的棒设定义对于大部分降温结构，降温能力的提升不可避免地会导致吸阻的增加，并且呈现随着降温能力的增加其综合降温效率减小的趋势。即是说，当滤棒形状改变时，压降的变化幅度要远远大于温降变化。
技术实现要素：
5.本发明的目的在于通过分析烟气通过滤棒上下游时不同的流动传热特点，提供能够在保持甚至降低滤棒出口烟气温度的同时，减小压降，实现滤棒的高降温效率一种种高降温效率的卷烟滤棒设计方法，该方法通过数值模拟获得不同形状滤棒的温度、压力与滤棒长度之间的关系。再基于内插法计算烟气温度随滤棒长度变化曲线的斜率以获得不同形状滤棒的高效降温段长度，作为多元滤棒的上游部分。最后再基于上游烟气温度和目标出口温度获得下游滤棒的形状与长度，将上下游进行拼接以获得高降温效率的滤棒。
6.一种高降温效率的滤棒设计方法，包括如下步骤：
7.1)建立卷烟抽吸cfd模型：根据实际卷烟的尺寸建立拥有不同滤棒形状的卷烟几何模型，生成三维计算域网格，根据iso抽吸标准确定抽吸过程中的边界条件；
8.2)确定多孔介质内气体流动模型和气固传热模型：根据抽吸过程中的烟气流过多孔介质区域的流动传热特征确定烟气在多孔介质内部流动和传热形式；
9.3)根据步骤2)建立的模型，利用udf搭建fluent，动态连接到fluent求解器上以实现卷烟抽吸过程中特殊的物理模型和边界条件，与步骤1)中的cfd模型结合；
10.4)根据步骤3)建立的数值模型，对卷烟抽吸过程模拟仿真，模拟获得不同形状滤棒抽吸过程中的压力、温度分布；
11.5)基于步骤4)获得的温度分布使用内插法获得烟气温度随滤棒长度变化曲线的斜率，设置出口烟气目标温度为t，临界斜率为k1，选取强降温能力滤棒形状a，低吸阻滤棒形状b，使用内插法获得形状a滤棒的高效降温段长度l1及对应烟气温度t1；
12.6)基于步骤4)获得的温度分布，计算形状b滤棒将烟气温度由t1降低至t所需要的长度l2；
13.7)将步骤5)所得形状a滤棒与步骤6)所得形状b滤棒进行拼接，中间用空腔相连，获得高降温效率的卷烟滤棒。
14.在步骤1)中，根据某实际加热卷烟产品，其直径为7.2mm，总长度为46mm，其中烟叶段长13mm、滤棒段长33mm；根据设计要求确定滤棒的可用形状。
15.在步骤1)中，所述根据iso抽吸标准确定抽吸过程中的边界条件，抽吸过程在2s内以钟形曲线吸入35ml的烟气，烟气进口流速v＝0.7419sin(1.5708t)，速度单位为m/s；进口烟气温度为22℃，卷烟纸壁面为自然对流换热壁面，空气来流温度为22℃，对流换热系数为10w/(m2℃)。
16.在步骤2)中，所述根据抽吸过程中的烟气流过多孔介质区域的流动传热特征确定烟气在多孔介质内部流动和传热形式，多孔介质内的流动形式基于雷诺数的大小分为darcy流动和非darcy流动；darcy流动时流体流过多孔介质阻力损失造成的压降计算公式如下：
[0017][0018]
式中，代表烟气darcy速度，k代表多孔介质渗透率，μ代表烟气粘度，代表压降；
[0019]
非darcy流动时流体流过多孔介质阻力损失造成的压降计算公式如下：
[0020][0021]
式中，c1、c2分别代表第一、第二forchheimer系数，ρ代表烟气密度；基于滤棒醋纤丝束的填充率，结合抽吸过程中特定时刻多孔介质内实际的流速计算烟气流动雷诺数，进而确定烟气流动形式并计算相应压降
[0022]
烟气流过多孔介质区域时的雷诺数计算公式如下：
[0023][0024]
式中，d为滤棒多孔介质区域填充物的等效尺寸，v为烟气darcy速度，ε为多孔介质空隙率；雷诺数re＜5时为darcy流动，雷诺数re＞5时为非darcy流动；根据iso抽吸标准，抽吸过程中烟气流速会随时间变化，因此需要根据特定时刻的流速计算对应的雷诺数并判断流动形式，进而选择对应的压降计算方法；
[0025]
高温烟气流过多孔介质区域时，与固体之间的换热遵循局部非热平衡模型，气固间的换热量计算方法如下：
[0026]
q＝ha(t
f-ts)
[0027]
式中，q代表气固之间的换热速率，h代表气固间对流换热系数，t代表温度，下标f、s分别代表气体和固体。
[0028]
在步骤3)中，步骤2)中所述气体流动模型和气固传热模型无法在fluent标准界面实现，利用udf进行搭建，动态连接到fluent求解器上以实现卷烟抽吸过程中特殊的物理模型和边界条件。
[0029]
在步骤4)中，所述对卷烟抽吸过程模拟仿真，基于步骤3)建立的模型，根据fluent
模拟中得到的速度场、温度场、压力场，计算拥有不同形状滤棒的卷烟抽吸过程中烟气静压和温度随滤棒长度变化的曲线。
[0030]
在步骤5)中，所述温度分布包括不同的滤棒形状温度分布，使用内插法获得烟气温度随滤棒长度变化曲线的斜率k，设置临界斜率为k1，认为对某一特定形状滤棒，k＞k1区域为该形状滤棒的高效降温段，k＜k1区域为该形状滤棒的低效降温段；根据卷烟抽吸过程的烟气降温需求设置出口烟气目标温度为t；对斜率曲线使用内插法计算斜率为k1时各形状滤棒对应的长度l和烟气温度t，选取温度t在范围[t,t+δt]内的对应滤棒形状作为形状a；对形状a滤棒烟气温度分布曲线使用内插法计算温度t所对应的滤棒长度l1，该长度下烟气温度为t1；在其余滤棒形状中，选取吸阻小于形状a滤棒且出口烟气温度低于或接近t的滤棒形状b。
[0031]
步骤6)中，所述计算形状b滤棒将烟气温度由t1降低至t所需要的长度l2使用内插法。
[0032]
步骤7)中，所述高降温效率的卷烟滤棒由三段不同形状的单元滤棒拼接制成，其中第一段使用形状a，长度为l1，第二段使用空腔滤棒，长度l3＝33-l
1-l2，单位为mm，第三段使用形状b，长度为l2；形状a滤棒置于上游，形状b滤棒置于下游，中间用空腔相连。
[0033]
本发明具有如下优点：
[0034]
1、建立卷烟抽吸过程中烟气流过多孔介质中气体流动模型和气固传热模型；
[0035]
2、本发明在现有滤棒形状的基础上，通过简单的计算与拼接，获得了具有更高降温能力且更低吸阻的滤棒，有利于加热卷烟滤棒的自主设计开发。
附图说明
[0036]
图1为滤棒的基本形状。
[0037]
图2为不同形状滤棒抽吸过程中烟气温度随长度的变化。
[0038]
图3为不同形状滤棒抽吸过程中烟气静压随长度的变化。
[0039]
图4为拼接后的滤棒形状。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下实施例将结合附图对本发明进行作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
[0041]
本发明实施例包括以下步骤：
[0042]
步骤1：根据实际卷烟的几何参数，建立拥有不同形状滤棒的卷烟几何模型，生成三维计算域网格。根据iso抽吸标准确定抽吸过程中的边界条件。
[0043]
步骤2：根据抽吸过程中的烟气流过多孔介质区域的流动特征确定烟气的流动和传热形式。多孔介质内的流动形式基于雷诺数的大小分为darcy流动和非darcy流动，darcy流动时流体流过多孔介质阻力损失造成的压降计算公式如下：
[0044]
[0045]
式中，代表烟气darcy速度，k代表多孔介质渗透率，μ代表烟气粘度，代表压降。
[0046]
非darcy流动时流体流过多孔介质阻力损失造成的压降计算公式如下：
[0047][0048]
式中，c1、c2分别代表第一、第二forchheimer系数，ρ代表烟气密度。
[0049]
烟气流过多孔介质区域时的雷诺数计算公式如下：
[0050][0051]
式中，d为滤棒多孔介质区域填充物的等效尺寸，v为烟气darcy速度，ε为多孔介质空隙率。re＜5时为darcy流动，re＞5时为非darcy流动。根据iso抽吸标准，抽吸过程中烟气流速会随时间变化，因此需要根据特定时刻的流速计算对应的雷诺数并判断流动形式，进而选择对应的压降计算方法。
[0052]
高温烟气流过多孔介质区域时，与固体之间的换热遵循局部非热平衡模型，气固间的换热量计算方法如下：
[0053]
q＝ha(t
f-ts)
[0054]
式中，q代表气固之间的换热速率，h代表气固间对流换热系数，t代表温度，下标f、s分别代表流体和固体。
[0055]
步骤3：步骤2中所述气体流动模型和气固传热模型无法在fluent标准界面实现，利用udf进行搭建，动态连接到fluent求解器上以实现卷烟抽吸过程中特殊的物理模型和边界条件。
[0056]
步骤4：对卷烟抽吸过程模拟仿真，得到烟气温度和静压随滤棒长度的变化。
[0057]
步骤5：针对不同的滤棒形状温度分布，使用内插法获得烟气温度随滤棒长度变化曲线的斜率k，设置临界斜率为k1，认为对某一特定形状滤棒，k＞k1区域为该形状滤棒的高效降温段，k＜k1区域为该形状滤棒的低效降温段。
[0058]
根据卷烟抽吸过程的烟气降温需求设置出口烟气目标温度为t。对斜率曲线使用内插法计算斜率为k1时各形状滤棒对应的长度l和烟气温度t，选取温度t在范围[t,t+δt]内的对应滤棒形状作为形状a。对形状a滤棒烟气温度分布曲线使用内插法计算温度t所对应的滤棒长度l1，该长度下烟气温度为t1。在其余滤棒形状中，选取吸阻小于形状a滤棒且出口烟气温度低于或接近t的滤棒形状b。
[0059]
步骤6：对选取的形状b滤棒烟气温度分布使用内插法，计算该形状下烟气温度由t1降至t所需的长度l2。
[0060]
步骤7：将不同形状滤棒进行拼接，拼接后的多元滤棒由三段不同形状滤棒拼接制成，其中第一段使用形状a，长度为l1，第二段使用空腔滤棒，长度l3＝33-l
1-l2，单位为mm，第三段使用形状b，长度为l2。
[0061]
本实施例根据某实际加热卷烟产品，其直径7.2mm，总长度为46mm，其中烟叶段13mm、滤棒段33mm。滤棒基本形状如图1所示，在滤棒外周处开一定数量和大小的凹槽，不同形状滤棒外围开槽的具体数量和大小如表1所示。对拥有不同形状滤棒的卷烟几何模型进行网格划分。
[0062]
表1不同滤棒形状外围槽的数量和大小
[0063][0064]
抽吸过程中，根据iso抽吸标准，单口抽吸容量35ml、抽吸持续时间2s、抽吸频率30s、抽吸流量以钟形曲线分布，因此烟气进口流速v＝0.7419sin(1.5708t)，其中t为抽吸时间，单位为s，进口流速单位为m/s。
[0065]
根据抽吸过程中的流动特征，当烟气流过多孔介质区域时，流动基于雷诺数的大小分为darcy流动和非darcy流动，darcy流动时流体流过多孔介质的压降计算公式如下：
[0066][0067]
其中：
[0068][0069]
式中，代表烟气darcy速度，k代表多孔介质渗透率，μ代表烟气粘度，代表压降，d代表多孔介质的特征尺寸，ε代表多孔介质空隙率，c代表kozeny-carman常数，常取为5。在本实施例中，滤棒填充物选用8.0/y28000的醋纤丝束，此时d＝3.41
×
10-5
m、ε＝0.916
[0070]
非darcy流动时流体流过多孔介质的压降计算公式如下：
[0071][0072]
式中，c1、c2分别代表第一、第二forchheimer系数，ρ代表烟气密度。
[0073]
烟气流过多孔介质区域时的雷诺数计算公式如下：
[0074][0075]
式中，d为滤棒多孔介质区域的等效尺寸，v为烟气darcy速度，ε为多孔介质空隙率。re《5时为darcy流动，re《5时为非darcy流动，根据iso抽吸标准，抽吸过程中流速会随时间变化。编写udf时根据卷烟内实时的流速计算雷诺数，判断该时刻下多孔介质内流体流动为darcy流动还是非darcy流动，进而选择对应的压降计算方法以计算由阻力损失造成的压降。
[0076]
当高温烟气流过多孔介质区域时，与固体之间的换热遵循局部非热平衡模型，气固间的换热量计算方法如下：
[0077]
q＝ha(t
f-ts)
[0078]
式中，q代表气固之间的换热速率，h代表气固间对流换热系数，t代表温度，下标f、s分别代表气体和固体。在本实施例中，
[0079]
user-defined function(udf)是用户自编的c语言程序，与fluent建立动态链接，实现fluent标准设定面板不能满足的物理模型、边界条件、源项、反应速率和材料属性等特殊模拟需求。基于上述模型与相关参数，编写对应udf实现卷烟抽吸过程并模拟抽吸过程中烟气的流动与传热。
[0080]
模拟计算获得不同形状滤棒烟气的温度、压力随滤棒长度的变化，分别如图2和3所示。
[0081]
计算图2中温度分布曲线的斜率，设置临界斜率k1＝-1.0，获得不同形状滤棒高效降温段对应的烟气温度与长度如表2所示。
[0082]
表2临界斜率取-1.0时各形状滤棒对应的长度和烟气温度
[0083][0084]
根据烟气降温需求，在本实施例中设置出口烟气目标温度为50℃，由表2中可知，烟气温度处于[50,60]的有形状1与形状8，选取形状1作为上游滤棒，对应高效降温段长度为14.35mm，烟气温度为57.80℃。其余形状中，吸阻小于形状1且出口烟气温度低于50℃或接近50℃的滤棒形状有形状5、8、9，本实施例中选择形状8作为下游滤棒形状。
[0085]
对图2中形状8对应的温度分布曲线做插值，获得该形状滤棒将烟气温度从57.8℃下降至50℃所需要的滤棒长度为7.39mm。不同形状滤棒抽吸过程中烟气静压随长度的变化如图3。
[0086]
将形状1与形状8进行拼接，拼接后的多元滤棒由三段单元滤棒组成，其中第一段使用形状1，长度为14.35mm，第三段使用形状8，长度为7.39mm，为使滤棒总长度为33mm，第二段使用长度为11.26mm的空腔滤棒。拼接后的滤棒如图4所示。
[0087]
本发明将卷烟抽吸过程的cfd模型与多孔介质理论、气固两相间传热模型结合，模拟计算获得不同形状滤棒抽吸过程中压降、温降与滤棒长度之间的关系，基于该关系将不同形状的滤棒进行拼接以获得高降温效率的组合滤棒，降温效率是指烟气流过滤棒的温降与压差和滤棒长度乘积之间的比值。本发明能够综合卷烟抽吸过程中上下游的流动传热特点，将不同形状的滤棒拼接设计以获得降温效率更高的滤棒。