本發(fā)明屬于新型煙草，具體是涉及一種基于cfd計(jì)算的加熱不燃燒卷煙煙支中異形空腔濾棒的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、加熱不燃燒卷煙作為一種新型煙草產(chǎn)品，使用電加熱裝置將煙草材料加熱到足以釋放出關(guān)鍵組分，但煙絲并不燃燒，實(shí)現(xiàn)溫度低、口感好、有害物質(zhì)釋放量少等顯著優(yōu)點(diǎn)。這一理念促使全球煙草行業(yè)相繼投入研發(fā)，致力于推出更優(yōu)質(zhì)的卷煙產(chǎn)品。盡管加熱不燃燒卷煙在減害方面表現(xiàn)出色，其仍面臨諸多挑戰(zhàn)，比如濾棒中煙氣溫降性能和關(guān)鍵組分截留性能如何平衡的問(wèn)題。而濾棒作為加熱不燃燒卷煙的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到煙氣溫度的調(diào)控效果。傳統(tǒng)的濾棒設(shè)計(jì)往往難以在有限的濾棒長(zhǎng)度下，有效地調(diào)控濾棒出口處煙氣溫度，并且傳統(tǒng)的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)方法試錯(cuò)成本高、研發(fā)周期長(zhǎng)，且難以直觀揭示濾棒內(nèi)部的溫度分布特征，這限制人們對(duì)傳熱機(jī)制的深入理解。因此，針對(duì)加熱不燃燒卷煙濾棒的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法開(kāi)展研究，并探索更為高效的調(diào)控手段及測(cè)溫方法顯得尤為迫切。

2、為了優(yōu)化濾棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低加熱不燃燒卷煙濾棒出口處煙氣溫度，研究者通過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段，制備不同結(jié)構(gòu)的濾棒并對(duì)其進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。中國(guó)專利cn208211457u公開(kāi)一種具有過(guò)濾結(jié)構(gòu)的加熱不燃燒香煙，通過(guò)引入流量限制片和螺旋形煙霧流道，旨在改善煙氣溫度控制和抽吸口感。然而，該設(shè)計(jì)采用兩段式結(jié)構(gòu)，缺乏對(duì)不同溫度區(qū)域的精細(xì)化調(diào)控能力。此外，多層螺旋通道的設(shè)計(jì)增加生產(chǎn)成本和制造難度，并導(dǎo)致吸阻升高，影響用戶抽吸體驗(yàn)。中國(guó)專利cn109645552a公開(kāi)一種具有中空和溝槽結(jié)構(gòu)的加熱不燃燒卷煙，其結(jié)構(gòu)包括產(chǎn)香段、中空降溫段、濾嘴段，為有效降低煙氣溫度，該發(fā)明在中空降溫段中心部分開(kāi)鑿異形結(jié)構(gòu)、四周開(kāi)鑿凹槽。但由于開(kāi)孔數(shù)量較多增加制造難度，且四周凹槽高溫下易塌陷，同時(shí)可能導(dǎo)致氣流分布不均，引發(fā)局部溫度過(guò)高或過(guò)低，從而影響抽吸口感。

3、除了通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)探究加熱不燃燒卷煙溫度之外，許多研究者利用仿真模擬技術(shù)對(duì)加熱不燃燒卷煙內(nèi)的傳熱過(guò)程進(jìn)行探究。中國(guó)專利cn107677761a提出一種建立模擬卷煙燃燒的計(jì)算流體力學(xué)模型方法，能夠準(zhǔn)確模擬卷煙燃燒時(shí)溫度場(chǎng)和/或物質(zhì)濃度場(chǎng)，但該方法采用二維幾何模型，處理更復(fù)雜的三維幾何結(jié)構(gòu)時(shí)存在局限。中國(guó)專利cn117910371a公開(kāi)一種周向電加熱卷煙釋煙傳熱傳質(zhì)過(guò)程的仿真模擬方法，解決加熱卷煙析出煙氣的傳熱傳質(zhì)規(guī)律不明確的問(wèn)題，獲得周向電加熱不燃燒卷煙釋煙過(guò)程的內(nèi)部溫度、流場(chǎng)和煙氣成分分布情況。然而，該方法主要關(guān)注煙支內(nèi)部的溫度，未能獲取濾棒出口處煙氣溫度這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)。實(shí)際抽吸過(guò)程中，濾棒出口處煙氣溫度是評(píng)價(jià)卷煙性能的重要指標(biāo)，直接影響用戶的抽吸體驗(yàn)和口感。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于cfd計(jì)算的加熱不燃燒卷煙煙支中異形空腔濾棒的設(shè)計(jì)方法。以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾棒內(nèi)溫度分布及濾棒出口處煙氣溫度的系統(tǒng)、穩(wěn)定監(jiān)測(cè)與分析，評(píng)估異形空腔濾棒的降溫性能，克服傳統(tǒng)濾棒設(shè)計(jì)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的缺陷，為新型濾棒設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，推動(dòng)加熱不燃燒卷煙技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。

2、本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)于一種加熱不燃燒卷煙煙支中異形空腔濾棒，所述異形空腔濾棒由支撐段、降溫段、過(guò)濾段依次同軸抵接并通過(guò)卷煙紙包裹組成。

3、所述支撐段為具有特定尺寸范圍的小內(nèi)徑圓筒形中空通道，長(zhǎng)度控制在6～14mm，優(yōu)選長(zhǎng)度6?mm；其內(nèi)徑范圍4.2～6.2?mm，優(yōu)選內(nèi)徑為4.2?mm，使得支撐段擁有較小的內(nèi)徑（即醋纖絲束填充體積較大），從而防止大量過(guò)熱煙氣流經(jīng)支撐段使煙支變形或坍塌，提高煙支機(jī)械強(qiáng)度并幫助均勻分布從加熱元件傳導(dǎo)來(lái)的熱量；中空通道與卷煙紙之間由醋纖絲束填充。

4、所述降溫段設(shè)計(jì)采用非傳統(tǒng)、幾何形態(tài)優(yōu)化的異形空腔流道，將異形空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為一字形、十字形、五星形等多種形態(tài)；異形空腔截面積按照長(zhǎng)寬等比縮放原則可設(shè)計(jì)出具有不同開(kāi)孔截面積的濾棒，異形空腔的開(kāi)孔截面積調(diào)控范圍2～12?mm2，優(yōu)選開(kāi)孔截面積4～10?mm2，通過(guò)控制異形空腔開(kāi)孔截面積，可以有效調(diào)節(jié)濾棒段內(nèi)煙氣的流量，進(jìn)而調(diào)控氣流阻力，實(shí)現(xiàn)濾棒出口處煙氣溫度的控制；此外，異形空腔長(zhǎng)度范圍11～19?mm，優(yōu)選長(zhǎng)度為19?mm，并且空腔沿?zé)熤лS線以0～1的扭曲率進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，優(yōu)選扭曲率為0～0.8，扭曲通道可以在不增加濾棒整體長(zhǎng)度的情況下，延長(zhǎng)煙氣流道，同時(shí)增加煙氣與濾棒材料的接觸面積，強(qiáng)化換熱且保持較低吸阻，而且扭曲異形空腔通道制造簡(jiǎn)單、耗材少。

5、所述過(guò)濾段長(zhǎng)度設(shè)定為6～10?mm，優(yōu)選長(zhǎng)度為8?mm，內(nèi)徑統(tǒng)一為7.2?mm，過(guò)濾段內(nèi)部填充孔隙率為0.6936的醋纖絲束，過(guò)濾段旨在截留和減少有害物質(zhì)進(jìn)入抽吸者的呼吸系統(tǒng)。

6、為獲取加熱不燃燒卷煙煙支中異形空腔濾棒內(nèi)溫度分布及濾棒出口處煙氣溫度，本發(fā)明主要依賴cfd建模計(jì)算方法。

7、1）計(jì)算域建模與網(wǎng)格劃分：根據(jù)實(shí)際情況完善模型計(jì)算域，三維計(jì)算域建模包括濾棒區(qū)域及外流場(chǎng)區(qū)域，該區(qū)域即模擬時(shí)在過(guò)濾段后端增加長(zhǎng)度為2?mm的圓筒形擴(kuò)展域，此區(qū)域有助于準(zhǔn)確獲取濾棒中心出口1?mm處煙氣溫度，同時(shí)有效避免煙氣堵塞回流，確保模擬結(jié)果的真實(shí)性。采用design?modeler對(duì)計(jì)算域進(jìn)行三維幾何建模，并在fluentmeshing中運(yùn)用poly-hexcore混合網(wǎng)格生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維模型網(wǎng)格劃分。

8、在步驟1）中，所述三維模型網(wǎng)格劃分，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行局部尺寸控制、幾何結(jié)構(gòu)描述和邊界層加厚處理，確保濾棒網(wǎng)格質(zhì)量滿足fluent求解要求，如面網(wǎng)格最大傾斜度不超過(guò)0.5，體網(wǎng)格的最小正交質(zhì)量不低于0.15、最大縱橫比不高于30。

9、2）邊界條件設(shè)置：將劃分好的網(wǎng)格連接到流體力學(xué)仿真求解器ansys?fluent軟件中，按照實(shí)際情況設(shè)置邊界條件，通過(guò)用戶自定義函數(shù)并根據(jù)加拿大深度抽吸標(biāo)準(zhǔn)，將入口速度動(dòng)態(tài)設(shè)定為，單位為m/s；出口壓力設(shè)置為0?pa；煙支內(nèi)部表面熱狀態(tài)設(shè)為恒定熱流密度，卷煙紙壁面采用對(duì)流換熱模型，模擬室溫條件下來(lái)流與卷煙紙的換熱過(guò)程，傳熱系數(shù)為10?w/（m2·k）、卷煙紙厚度為0.075?mm。

10、3）模型搭建：所述ansys?fluent中搭建組分運(yùn)輸模型和建離散相模型，用于描述煙氣流動(dòng)以及煙氣中甘油、煙堿、丙二醇、水四種煙氣中關(guān)鍵組分之間的傳熱過(guò)程。組分運(yùn)輸模型考慮組分焓值對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散的影響，激活diffusion?energy?source項(xiàng)，使得ansysfluent求解器中的能量方程包含組分運(yùn)輸項(xiàng)。而離散相模型關(guān)注顆粒物運(yùn)動(dòng)和熱質(zhì)傳遞過(guò)程，抽吸過(guò)程中煙氣向過(guò)濾段流動(dòng)發(fā)生冷凝，部分煙氣由氣體變成氣溶膠液滴，將煙氣視為連續(xù)相，氣溶膠液滴當(dāng)作離散相，并考慮連續(xù)項(xiàng)和離散相之間的傳熱和傳質(zhì)，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

11、4）溫度測(cè)量與驗(yàn)證：濾棒出口處的煙氣溫度測(cè)量點(diǎn)為濾棒中心出口1?mm處煙氣溫度數(shù)據(jù)，將此仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)溫實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確保仿真結(jié)果真實(shí)反映實(shí)際抽吸情況。

12、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果與突出優(yōu)點(diǎn)在于：

13、1、本發(fā)明的異形空腔濾棒通過(guò)獨(dú)特的支撐段、降溫段、過(guò)濾段設(shè)計(jì)，各段分工明確。支撐段小內(nèi)徑設(shè)計(jì)增強(qiáng)煙支機(jī)械強(qiáng)度，防止過(guò)熱煙氣導(dǎo)致煙支變形；降溫段采用幾何形態(tài)優(yōu)化的異形空腔流道，通過(guò)調(diào)控開(kāi)孔截面積和扭曲率，能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)濾棒段內(nèi)煙氣流量、氣流阻力，有效控制濾棒出口處煙氣溫度，且扭曲通道制造簡(jiǎn)單、耗材少，在強(qiáng)化換熱的同時(shí)保持較低吸阻；過(guò)濾段有效截留有害物質(zhì)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更科學(xué)合理，平衡煙氣溫降性能與關(guān)鍵組分截留性能。

14、2、本發(fā)明運(yùn)用先進(jìn)的cfd技術(shù)，完善計(jì)算域建模，增加外流場(chǎng)區(qū)域和特定長(zhǎng)度的圓筒形擴(kuò)展域，能準(zhǔn)確獲取濾棒中心出口1mm處煙氣溫度并避免煙氣堵塞回流。采用專業(yè)的建模與網(wǎng)格劃分工具，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足求解要求，精準(zhǔn)模擬濾棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)合理設(shè)置邊界條件，依據(jù)加拿大深度抽吸標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)設(shè)定入口速度，結(jié)合實(shí)際設(shè)定其他參數(shù)，使模擬更貼合真實(shí)情況。搭建的組分運(yùn)輸模型和離散相模型，全面考慮煙氣中各組分的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，顯著提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為濾棒設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

15、3、通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確模擬濾棒內(nèi)部溫度分布，模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得的濾棒出口處煙氣溫度高度一致，有效驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的異形空腔濾棒，總結(jié)出開(kāi)孔截面積和扭曲率對(duì)煙氣溫度的影響規(guī)律，可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景、煙支制造成本和工藝難度，為降溫段選擇合適構(gòu)型、開(kāi)孔截面積和異形通道扭曲率，實(shí)現(xiàn)煙氣溫度的精準(zhǔn)可控，克服傳統(tǒng)濾棒設(shè)計(jì)耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的缺陷，有力推動(dòng)加熱不燃燒卷煙技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，提升產(chǎn)品性能和用戶抽吸體驗(yàn)。