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  • ISSN 1006-3080
  • CN 31-1691/TQ
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加热卷烟制品传热与烟气流动过程数值模拟

    作者简介: 肖卫强(1984-),男,江西吉安人,硕士生,研究方向烟草化学。E-mail:837834785@qq.com;
    通讯作者: 周国俊, zhougj@zjtobacco.com ; 郭杨龙, ylguo@ecust.edu.cn
  • 中图分类号: TS41

Numerical study of heat transfer and smoke flow of heated tobacco product

    Corresponding author: Guojun ZHOU, zhougj@zjtobacco.com ;Yanglong GUO, ylguo@ecust.edu.cn
  • CLC number: TS41

  • 摘要: 以加热卷烟制品为研究对象,采用计算流体力学方法研究加热卷烟制品烟丝加热和抽吸模式下的烟气流动和传热过程,建立了加热卷烟制品内部烟丝加热和烟气流动的数学模型。结果表明:加热卷烟制品经加热器加热后,烟丝段温度升高至493.6 K,总传热系数为3.4 W/(m·K);抽吸模式下,由于烟气通过,烟丝段温度由394.1 K降低至393.8 K,但烟气流动对温度分布影响较小;从烟丝端到抽吸端,压力逐渐降低。模拟结果可以为卷烟加热器的结构设计和优化提供理论指导。
  • 图 1  加热卷烟制品周向加热器示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of the heater for heated tobacco product

    图 2  网格划分及质量

    Figure 2.  Mesh and quality

    图 3  不同时刻卷烟内部温度分布

    Figure 3.  Temperature distribution of cigarette at different time

    图 4  不同时刻烟丝总传热系数

    Figure 4.  Total heat transfer coefficient of cut tobacco at different time

    图 5  卷烟内部轴向(a)和径向(b)温度分布

    Figure 5.  Axial and radical temperature distribution of cigarette

    图 6  恒速抽吸模式下的温度分布云图

    Figure 6.  Temperature distribution during smoking at a constant flow rate

    图 7  恒速抽吸模式下卷烟轴向(a)和径向(b)温度分布

    Figure 7.  Axial and radical temperature distribution of cigarette during smoking at a constant flow rate

    图 8  恒速抽吸模式下卷烟速度分布

    Figure 8.  Distribution of the vectorial velocity during smoking at a constant flow rate

    图 9  恒速抽吸模式下烟气速度在轴向的分布

    Figure 9.  Axial velocity distribution during smoking at a constant flow rate

    图 10  恒速抽吸模式下的压力分布云图

    Figure 10.  Pressure distribution during smoking at a constant flow rate

    图 11  恒速抽吸模式下的压力分布

    Figure 11.  Pressure distribution during smoking at a constant flow rate

    表 1  卷烟加热器和卷烟的部分关键参数

    Table 1.  Critical parameters of cigarette heater and cigarette

    VariableParameterValueUnit
    φHHeater diameter10.0mm
    LHEffective length of heater54.0mm
    φCigarette diameter7.8mm
    φcTobacco diameter7.7mm
    θThickness of cigarette paper50.0μm
    LTobacco length54.0mm
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    表 2  模拟计算过程中采用的物性参数

    Table 2.  Physical parameters of material in simulation process

    VariableParameterValueUnit
    ρDensity of tobacco1100.0kg/m3
    cPSpecific heat capacity of tobacco2080.0J/(kg·K)
    kViscosity damping coefficient of tobacco2.4×10−2W/(m·K)
    1/αInertia damping of tobacco6.1×108
    CPorosity of tobacco6.5×104
    φDensity of cigarette paper7.5×10−1
    ρPThermal conductivity of cigarette paper1300.0kg/m3
    cPPThermal conductivity of cigarette paper1910.0J/(kg·K)
    kPViscosity damping coefficient of cigarette paper9.5×10−2W/(m·K)
    1/α2Inertia damping of cigarette paper1.7×1013
    C2Porosity of cigarette paper2.1×106
    φPDensity of Cigarette smoke6.9×10−1kg/m3
    ρgViscosity of Cigarette smoke1.2kg/m3
    μThermal conductivity of tobacco1.8×10−5Pa·s
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    表 3  恒速抽吸模式下不同位置的径向温差

    Table 3.  Difference in radial temperature at different axial position during smoking at a constant flow rate

    ΔT (K)Axial position (mm)
    60.5, t=40.0 s10.0
    63.2, t=42.0 s10.0
    7.4, t=40.0 s30.0
    6.6, t=42.0 s30.0
    6.4 t=40.0 s50.0
    6.2 t=42.0 s50.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-10-29
  • 网络出版日期:  2020-06-01

加热卷烟制品传热与烟气流动过程数值模拟

    作者简介:肖卫强(1984-),男,江西吉安人,硕士生,研究方向烟草化学。E-mail:837834785@qq.com
    通讯作者: 周国俊, zhougj@zjtobacco.com
    通讯作者: 郭杨龙, ylguo@ecust.edu.cn
  • 1. 浙江中烟工业有限责任公司,杭州 310008
  • 2. 华东理工大学工业催化研究所,上海 200237

摘要: 以加热卷烟制品为研究对象,采用计算流体力学方法研究加热卷烟制品烟丝加热和抽吸模式下的烟气流动和传热过程,建立了加热卷烟制品内部烟丝加热和烟气流动的数学模型。结果表明:加热卷烟制品经加热器加热后,烟丝段温度升高至493.6 K,总传热系数为3.4 W/(m·K);抽吸模式下,由于烟气通过,烟丝段温度由394.1 K降低至393.8 K,但烟气流动对温度分布影响较小;从烟丝端到抽吸端,压力逐渐降低。模拟结果可以为卷烟加热器的结构设计和优化提供理论指导。

English Abstract

  • 随着经济社会的快速发展和人们生活水平的提高,吸烟带来的健康问题正受到越来越多的关注。对于吸烟者而言,在获得生理满足感的同时,如何降低卷烟烟气对健康的伤害,已成为卷烟行业研究的热点问题之一。目前,新型卷烟(尤其是加热卷烟制品)是新兴战略性烟草产品,其特征在于加热烟草而非燃烧烟草,有害成分释放量明显降低,并提供消费者一定的烟草特征感受[1]。加热烟草制品主要包括电加热型、炭加热型和理化反应加热型等,其主要在于改变了烟气产生及传递机制,从而有效降低了烟气中的有害成分,达到降低危害的目的。本文旨在通过模拟计算加热卷烟制品在电加热和吸烟模式下,温度场分布和流速、压力变化情况,可为周向加热器具的进一步完善提出理论上的支撑。

    • 烟支置于卷烟周向加热器的金属管中,通过外部电池供热加热金属管,金属管中的烟支受热,烟丝中致香成分挥发出来,被人体口腔吸入,其物理模型如图1所示,加热卷烟制品周向加热器及卷烟尺寸参数如表1所示。

    • (1)守恒方程[2, 3]

      质量守恒:

      式中,ρui分别为空气密度和i方向的速度分量。

      动量守CF恒:

      式中,p为压力,gi为重力加速度,τij为应力张量。

      能量守恒:

      式中,e为单位质量流体内能,λeff为有效热导率,(τij)eff为偏应力张量。

      (2)多孔介质模型

      卷烟烟丝是由丝状材料密实堆积而成,烟气在烟丝的孔隙中流动,在研究时通常将烟丝处理为多孔介质,基于各向同性多孔介质模型建立的数学模型,能较好地模拟烟气流动和扩散,并预测卷烟内部的温度分布[4-6]。该模型中卷烟在轴向上的压降方程为:

      式中,Δp为卷烟轴向压降,μ为烟气粘度,ρ为烟气密度,ΔL为卷烟长度,ui为吸入端的烟气流速,1/α为惯性阻抗系数,惯性阻力是由烟丝、卷烟纸中孔隙形状弯曲变化形成的对烟气流动的阻力,C为粘性阻抗系数,粘性阻力是由烟气和烟丝、卷烟纸直接接触摩擦形成的对烟气流动的阻力。

      图  1  加热卷烟制品周向加热器示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of the heater for heated tobacco product

      VariableParameterValueUnit
      φHHeater diameter10.0mm
      LHEffective length of heater54.0mm
      φCigarette diameter7.8mm
      φcTobacco diameter7.7mm
      θThickness of cigarette paper50.0μm
      LTobacco length54.0mm

      表 1  卷烟加热器和卷烟的部分关键参数

      Table 1.  Critical parameters of cigarette heater and cigarette

      考虑到卷烟材质的特征,本文的模拟计算基于如下假设:①卷烟烟丝和卷烟纸是各向同性的均匀刚性多孔介质,抽吸速率较低时流体流动较慢,流动性质符合达西定律;②由于卷烟加热温度较低,本次模拟的燃吸过程不包含热解等复杂的化学反应,仅考虑物理流动。据文献报道[7],烟丝导热系数随温度变化,k=5.5×10−2+2.9×10−5×(T−298.2 K),其中k为烟丝导热系数,T为温度。其余详细的物性参数见表2所示。

      VariableParameterValueUnit
      ρDensity of tobacco1100.0kg/m3
      cPSpecific heat capacity of tobacco2080.0J/(kg·K)
      kViscosity damping coefficient of tobacco2.4×10−2W/(m·K)
      1/αInertia damping of tobacco6.1×108
      CPorosity of tobacco6.5×104
      φDensity of cigarette paper7.5×10−1
      ρPThermal conductivity of cigarette paper1300.0kg/m3
      cPPThermal conductivity of cigarette paper1910.0J/(kg·K)
      kPViscosity damping coefficient of cigarette paper9.5×10−2W/(m·K)
      1/α2Inertia damping of cigarette paper1.7×1013
      C2Porosity of cigarette paper2.1×106
      φPDensity of Cigarette smoke6.9×10−1kg/m3
      ρgViscosity of Cigarette smoke1.2kg/m3
      μThermal conductivity of tobacco1.8×10−5Pa·s

      表 2  模拟计算过程中采用的物性参数

      Table 2.  Physical parameters of material in simulation process

    • 进口采用速度入口条件,进口通风流量为2.5 mL/s;出口采用压力出口,出口静压设置为0 Pa;壁面为无滑移边界条件,温度533 K;流动区域视为多孔介质,具体参数设置参照多孔介质模型部分;

      初始条件:初始速度为0,初始温度298 K。

    • 壁面和流动区域边界条件与加热模式设置一致;根据GB/T 9609-2004,ISO抽吸模式下,每60 s抽吸一口,每口抽吸2 s,抽吸容量为35 mL,本模拟仅考虑抽吸过程发生的2 s,视为恒速抽吸,其平均流率为17.5 mL/s,速度入口设置为0.367 m/s,出口为负压出口,静压力设置为−1200 Pa

      初始条件:速度和温度初始分布为加热模式的40 s的速度和温度场。

    • 基于AnsysFluent 19.2平台,计算域内流体为定常流动,求解器为3D分离隐式求解器,层流流动,压力-速度耦合采用Coupled算法,离散格式为二阶迎风差分格式,收敛性和速度残差为10−3,能量残差为10−6,迭代步长为0.001 s[8].

      基于AnsysMesh对计算域进行离散化,采用六面体网格的划分方式,壁面处网格局部加密,网格数量为303780平均质量为0.71,较差的网格主要集中于卷纸烟部分,因其厚度仅为50 μm,网格质量受到影响。网格及其质量分布图如图2所示。

      图  2  网格划分及质量

      Figure 2.  Mesh and quality

    • 图3表示卷烟经加热器加热后不同时刻的温度分布云图,周向加热器及其与卷烟间的间隙温度维持在533.0 K,初始温度为298.0 K。随着径向方向上热量的传递,烟丝边壁处在t=240 s达到533.0 K,烟丝中心处在t=280 s达到533.0 K,在280 s时刻以后,烟丝温度分布保持不变,达到温度均匀的状态,烟丝的平均温度为493.6 K。需要强调的是,由于底部通风的存在,卷烟底部存在温度的轴向抛物线形梯度分布。

      图  3  不同时刻卷烟内部温度分布

      Figure 3.  Temperature distribution of cigarette at different time

      图4为不同时刻烟丝总传热系数随时间变化曲线,总传热系数与烟丝侧、烟气侧、卷烟纸厚度和导热系数相关,烟气为层流流动,随着流动和传热的进行,层流流动边界层充分发展,边界层厚度增加导致传热系数降低,t=280.0 s传热系数稳定在3.4 W/(m·K)。

      图  4  不同时刻烟丝总传热系数

      Figure 4.  Total heat transfer coefficient of cut tobacco at different time

      图5为t=320 s流场稳定情况下卷烟内部轴向和径向上的温度分布,其中图5(a)是中心处的轴向温度变化,可以看到,温度随着轴向位置呈现出分段变化趋势,在0~20.0 mm段轴向温度逐渐升高,且升高的速率越来越慢,这部分受入口气体温度影响;在20.0~54.0 mm段,轴向温度几乎不变,维持在553.0 K左右,这与加热器壁面温度一致。

      图  5  卷烟内部轴向(a)和径向(b)温度分布

      Figure 5.  Axial and radical temperature distribution of cigarette

      图5(b)为t=320 s流场稳定情况下不同位置处的径向温度变化,可以看出,除了入口处存在一定的温度梯度,主体的径向温度分布较为均匀。远离入口区域的烟丝径向温度分布较为均匀。

    • 考察加热40.0 s的加热卷烟制品抽吸情况,图6为恒速抽吸模式下2 s时间内卷烟及加热器中心截面的温度分布云图。有云图看出,t=40.0~42.0 s,烟丝温度分布基本不变,平均温度由394.1 K降低至393.8 K,温度降低了约0.08%,2.0 s内抽吸容量为35.0 mL的烟气对卷烟温度几乎没有影响。

      图  6  恒速抽吸模式下的温度分布云图

      Figure 6.  Temperature distribution during smoking at a constant flow rate

      图7为40.0 s和42.0 s时刻卷烟内部轴向和径向上的温度分布,其中图7(a)是中心处的轴向温度变化。可以看到,在40.0 s或42.0 s,卷烟温度随着轴向位置呈现出分段变化趋势,在0~20 mm段轴向温度逐渐升高,经过2.0 s的恒速抽吸,随着大量烟气的流动,卷烟底部温度略有降低;而在20~54 mm段,轴向温度维持在521.0 K左右,烟气流动对加热卷烟制品抽吸段烟丝温度分布影响不大。

      图  7  恒速抽吸模式下卷烟轴向(a)和径向(b)温度分布

      Figure 7.  Axial and radical temperature distribution of cigarette during smoking at a constant flow rate

      图7(b)为不同时间和不同位置处的径向温度变化,在z=10.0 mm的通风端,卷烟烟丝呈现边壁高、中心低的典型温度分布特征,而在z=30.0和50.0 mm的吸入端的温度分布很均匀,烟丝径向温差如表3所示。随着抽吸的进行,通风段径向温差增大,而吸入端径向温差减小,表明卷烟周向加热器良好的加热性能。

      ΔT (K)Axial position (mm)
      60.5, t=40.0 s10.0
      63.2, t=42.0 s10.0
      7.4, t=40.0 s30.0
      6.6, t=42.0 s30.0
      6.4 t=40.0 s50.0
      6.2 t=42.0 s50.0

      表 3  恒速抽吸模式下不同位置的径向温差

      Table 3.  Difference in radial temperature at different axial position during smoking at a constant flow rate

    • 图8表示卷烟在17.5 mL/s条件下中心截面的内部云图,模拟中将烟丝处理为多孔介质,由于粘性阻力和惯性阻力的存在,烟气流速逐渐降低。烟丝流速呈现竖直条纹状,表明烟气速度在径向上分布较为均匀。

      为了更好考察烟气在卷烟内部的流动情况,模拟得到了烟气速度随轴向位置变化的情况,如图9所示,在z=0~20.0 mm处,气体流速降低较快;20~54.0 mm的烟丝段,烟气速度降低较慢,烟气速度变化与温度变化保持一致的趋势。

      图  8  恒速抽吸模式下卷烟速度分布

      Figure 8.  Distribution of the vectorial velocity during smoking at a constant flow rate

      图  9  恒速抽吸模式下烟气速度在轴向的分布

      Figure 9.  Axial velocity distribution during smoking at a constant flow rate

    • 图10为ISO恒速抽吸模式下卷烟及加热器中心截面的压力分布云图。

      图  10  恒速抽吸模式下的压力分布云图

      Figure 10.  Pressure distribution during smoking at a constant flow rate

      从通风端到吸入端,烟丝内部压力呈现逐渐降低的趋势,图10中条纹的宽度先窄后宽,表明压力降幅先快后慢,如图11所示。

      图  11  恒速抽吸模式下的压力分布

      Figure 11.  Pressure distribution during smoking at a constant flow rate

    • 采用CFD模拟方法,基于多孔介质模型,模拟了卷烟加热和抽吸过程的温度分布、压力分布、速度分布等流场特征,为卷烟加热器的设计和结构优化提供理论指导。

      (1)加热卷烟制品经加热器加热后,烟丝段温度升高至493.6 K,总传热系数为3.4 W/(m·K);

      (2)恒速抽吸抽吸模式下,由于烟气通过,烟丝段温度由394.1 K降低至393.8 K,降低了约0.08%,烟气流动对温度分布影响较小,烟丝主体温度分布均一,径向温差小于3.0 K;

      (3)从通风端到抽吸端,压力逐渐降低。

(11)  表(3) 参考文献 (8) 相关文章 (20)

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