加热卷烟复合传热过程的数值模拟.pdf
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1、2024 年 2 月第 57 卷第 2 期烟草科技Tobacco Science&TechnologyFeb.2024Vol.57 No.2摘要:为了揭示加热卷烟在抽吸过程中的传热机理,建立了基于多孔介质的气体流动模型与气固两相局部热平衡传热模型,模拟烟具和烟支复合情况下加热卷烟在抽吸过程中的温度分布,采用红外热成像法检测烟具表面温度及采用热电偶检测烟支各功能段出口温度来验证传热模型的精确性。结果表明:烟具表面最高温度实测值与模拟值误差小于5,说明所建模型准确性较高;烟支各功能段中心位置出口温度实验值和模拟值的总体趋势一致,但数值上存在差异,主要原因是在实际抽吸时烟支加热产生的高热容的气溶胶在
2、流动过程中发生传质现象;加热卷烟温度场和气流场模拟结果显示,烟具温度的分布不均匀,局部区域温度过高,上部靠近烟支处温度最高,抽吸结束后温度达到85;抽吸时烟支中空段和气流入口处流速最大,气流流动区域没有贴近烟具外壳会降低进口冷气流对烟具表面的散热效果;加热卷烟散热速率计算结果显示,在整个抽吸过程中,烟具外表面散热速率随时间变化平缓上升,烟支暴露部分外表面散热速率随时间呈“锯齿形”上升,总散热速率最大约为0.95 W。关键词:加热卷烟;复合传热;温度场;数值模拟中图分类号:TS452文献标志码:A文章编号:1002-0861(2024)02-0061-09收稿日期:2023-03-19录用日期:
3、2023-11-27基金项目:国家烟草专卖局重点科技项目“加热卷烟烟具与烟支耦合设计关键技术研究与应用”110202001010(XX-06)、“自然烟气卷烟烟气释放与传递特征及其调控技术研究”110202201045(XX-04)。第一作者:张智轩(1994),男,硕士,工程师,主要从事加热卷烟产品开发工作。E-mail:*通信作者:韩敬美(1986),女,硕士,工程师,主要从事加热卷烟研发工作。E-mail:;王乐(1982),男,博士,副研究员,主要从事烟草工艺数学建模工作。E-mail:引用本文:张智轩,李志强,尹献忠,等.加热卷烟复合传热过程的数值模拟 J.烟草科技,2024,57(
4、2):61-69.(ZHANG Zhixuan,LI Zhiqiang,YIN Xianzhong,et al.Numerical simulation of combined heat transfer process of heated tobacco productsunder machine-puffing condition J.Tobacco Science&Technology,2024,57(2):61-69.DOI:10.16135/j.issn1002-0861.2023.0153)Numerical simulation of combined heat transfer
5、 process of heated tobaccoproducts under machine-puffing conditionZHANG Zhixuan1,LI Zhiqiang2,YIN Xianzhong1,ZHANG Xia2,HUANG Duoduo3,LIU Xueping3,JIN Xinyan3,SUN Zhiwei4,ZHANG Zhan1,LI Shiwei2,SONG Weimin1,LI Zhuo1,HAN Jingmei*2,WANG Le*3,LI Bin31.Technology Center of China Tobacco Henan Industrial
6、 Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China2.Technology Center of China Tobacco Yunnan Industrial Co.,Ltd.,Kunming 650231,China3.Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC,Zhengzhou 450001,China4.Technology Center of China Tobacco Hunan Industrial Co.,Ltd.,Changsha 410072,ChinaAbstract:In order to reveal the
7、 heat transfer mechanism of heated tobacco products(HTPs)in theprocess of smoking,a porous media-based gas flow model and a gas-solid two-phase local heatbalance model were established to simulate the temperature distribution of a leading HTP in the加热卷烟复合传热过程的数值模拟张智轩1,李志强2,尹献忠1,张霞2,黄朵朵3,刘雪萍3,金心妍3,孙志
8、伟4,张展1,李世卫2,宋伟民1,李倬1,韩敬美*2,王乐*3,李斌31.河南中烟工业有限责任公司技术中心,河南郑州经开第三大街8号4500002.云南中烟工业有限责任公司技术中心,云南昆明红锦路367号6502313.中国烟草总公司郑州烟草研究院,河南郑州枫杨街2号4500014.湖南中烟工业有限责任公司技术中心,湖南长沙劳动中路386号4100722024 年烟草科技process of smoking,and the accuracy of the heat transfer models was verified by measuring thesurface temperature
9、of the tobacco stick with infrared thermal imaging method and the exit airflow oraerosol temperature of each functional section of the stick with a thermocouple.The results showedthat:1)The error between the measured and simulated values of the maximum stick surfacetemperature was less than 5,indica
10、ting that the models were practically accurate.2)The overalltrend of the exit airflow temperatures at the center of each functional segment of the stick wereconsistent with the experimental and simulated values,but there were differences in the absolutevalues due to the mass transfer occurred in the
11、 flow process of the aerosol with high heat capacitygenerated during puffing.3)The simulation results of the temperature fields and airflow fields of theHTP showed that the temperature distribution of the heating device was not uniform,the localtemperature in the upper part of the heating device was
12、 higher,especially near the stick where thetemperature reached a maximum value of 85 after puffing.The maximum flow velocity was in thecavity section and at the inlet of the airflow during puffing,the airflow zone was not close to theshell of the heating device,which reduced the heat dissipation eff
13、ect of the inlet cold airflow on theheating device surface.4)The calculation results of the heat dissipation rate of the HTP showed thatduring the whole smoking process,the heat dissipation rate of the surface of the heating deviceincreased relatively smoothly with time,and the heat dissipation rate
14、 curve of the exposed surface ofthe stick had a zigzag upward trend with the maximum total heat loss of about 0.95 W.Keywords:Heated tobacco product;Combined heat transfer;Temperature field;Numerical simulation随着全球控烟力度的加大和全民对健康关注的日益提高,各大跨国烟草公司相继研发、推出危害较小的新型烟草制品,其中加热卷烟已经成为烟草行业新的研究热点1。目前对于加热卷烟的研究主要集中在
15、滤嘴温度、烟气释放、抽吸模式等方面2-5。加热卷烟的传热特性和加热温度是影响卷烟烟气化学成分释放和用户体验的重要因素6-8,因此许多研究人员开展了有关加热卷烟传热传质的研究工作。肖卫强等9采用计算流体力学的方法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;王乐等10通过建立电加热卷烟烟芯关键成分传热传质数学模型,比较了化学反应控制与外部传质控制两种释放机理,从而揭示了电加热卷烟烟芯关键成分逐口释放规律;刘久逸等11利用CFD技术探究了3种典型的加热卷烟滤嘴结构在深度抽吸模式下的降温特性并与传统卷烟进行了对比;时春鑫等12根据加热元件基础物理参数及控制参数,建立了加热元件在热-电耦合作用下
16、的三维模型,获得了加热元件在不同工作状态下的温度变化规律;徐宏等13采用阶跃响应法对电加热新型卷烟烟具温度对象进行开环辨识,并对模型进行了优化和仿真;王乐等14建立了加热卷烟逐口抽吸过程中的传热模型,模拟了卷烟内部的气流场、温度场、固定位置温度变化以及烟支的散热速率。目前国内对于加热卷烟的模拟工作主要集中在烟气释放的化学成分、烟气流动等方面,但对烟支和烟具的复合传热模型鲜有研究,因此在复合烟支和烟具设计时只能依靠反复实验操作得到结果,从而产生盲目试错、产品更新换代慢、经济成本和时间成本都较高等问题。加热卷烟烟芯温度分布、滤嘴内部温度、烟气出口温度以及烟具表面温度,是体现加热卷烟传热传质性能的关
17、键所在,本研究建立了加热卷烟逐口抽吸时烟支和烟具复合传热模型,利用数值模拟探究加热卷烟在抽吸过程中烟支和烟具的温度分布及变化规律,并采用固定位置温度检测实验值交叉验证数学模型的精确性,旨在为加热卷烟的能量管理与结构优化设计提供理论指导。1材料与方法1.1材料与仪器加热卷烟烟具和烟支(云南中烟工业有限责任公司技术中心提供)。HTTM1000型加热卷烟温度轴向测量装置(中国科学院合肥物质科学研究院研制);TS6400红外热成像仪(美国FLIR公司)。1.2实验样品预处理及温度检测为了去除烟芯材料中的水分、丙三醇、丙二醇等易挥发性成分,加热卷烟在加热实验前,置于60 的烘箱中烘烤48 h。采用加热卷
18、烟温度轴向测量装置检测烟支内部中心温度。采用红外热成像仪检测烟具烟支表面各区域温度的分布,本研究所使用的加热卷烟烟具材料为人工塑料材质,其发射率一般在0.700.90,烟支表面材料为纸,发射率在0.700.94,因此红外热成像 62第 57 卷第 2 期仪的发射率设置为0.80,温度图像采集频率设置为7.5 Hz。1.3模型构建1.3.1几何模型烟支结构和烟具结构尺寸通过物理测量获得,检测精度为1.0 mm。烟支结构参数设置为半径3.6mm,烟芯段 15.0 mm,中空段 10.0 mm,聚乳酸段10.0 mm,醋酸纤维段10.0 mm,烟支的实物图和模型图如图1所示。由于烟具外壳形状并非轴对
19、称,而且内部存在电子器件等复杂组件,不利于传热传质建模,因此对烟具细节做了必要的简化,同时对加热片附近的结构予以保留,以便建立合适的几何模型。烟具加热片为氧化铝陶瓷材质,参数设置为:加热片宽度4.0mm、厚度0.4 mm、总长度17.0 mm,下部非加热区域长度6.0 mm,上部加热区域长度8.0 mm,三角区域高度3.0 mm,加热片暴露长度13.0 mm,烟具加热片的实物图和模型图如图2所示。烟支与烟具适配状态下结构参数设置为烟支插入烟具深度18.0 mm,暴露外部长度27.0 mm,加热片深入烟芯段9.0 mm。烟支与烟具适配状态下的实物图和模型图如图3所示。1.3.2数学模型1.3.2
20、.1控制方程烟支由烟芯段、中空段、聚乳酸段以及醋酸纤维段4部分构成,其中烟芯段、聚乳酸段及醋酸纤维段为多孔介质,满足多孔介质流动方程15。如公式(1)所示:p u t=-pI+p(u+(u)T)-23p(u)I-1+F|u|+Qm2pu+F(1)u t+u=Qm式中:表示梯度算子;表示散度算子;代表流体密度,kg/m3;u表示气体在多孔介质中的渗透速度,m/s;p 代表系统压力,Pa;Qm表示气体生成速率,kg/(m3 s);表示黏度,Pa s;表示多孔介质的渗透率,m2;p表示多孔介质的空隙率;F表示非线性参数;I表示单位矩阵;F表示体积力,kg/(m2 s2)。加热卷烟烟具主要由各种高分子
21、聚合物(塑料)构成,烟具下部外壳内部空气为静止状态,不存在流动行为,烟具上部外壳内部为气流进入通道,同样满足自由区域流动方程15,该方程在式(1)的基础上,使空隙率等于1并去掉-1+F|u|+Qm2pu项即可。加热卷烟烟支烟芯段、聚乳酸段及醋酸纤维段的传热采用气固两相局部相平衡传热模型,假设烟支各个功能段与空气的热物性不随温度发生变化,同时忽略残余水分、丙三醇、烟碱等其他物质的挥发吸热。传热方程如公式(2)所示:(CP)eff T t+(CP)gu T+q=Qq=-keffT(2)式中:(CP)eff表示多孔介质有效体积热容,J/(m3);(CP)g表示空气体积热容,J/(m3);keff表示
22、多孔介质有效导热系数,W/(m );Q为热源项,W/m3;q表示热通量,W/m2。加热卷烟烟具内部高分子聚合物之间的传热为固体传热,传热方程如公式(3)所示:(CP)s T t+q=Q(3)q=-ksT式中:(CP)s表示固体体积热容,J/(m3);ks表示固体导热系数,W/(m )。1.3.2.2初始边界条件加热卷烟烟具烟支复合结构传热过程模拟的初始边界条件与烟支传热过程的初始边界条件基本相图1烟支的实物图和模型图Fig.1Picture and schematic figure of a tobaccostick of HTP图2烟具加热片的实物图和模型图Fig.2Picture and
23、schematic figure of a heating elementof heating device图3烟支与烟具适配状态下的实物图和模型图Fig.3Picture and schematic figure of a tobacco stickinserted into a heating device张智轩,等:加热卷烟复合传热过程的数值模拟 632024 年烟草科技同,气流出口边界条件为速度边界条件,采用加拿大深度抽吸模式(抽吸容量为55 mL、抽吸时间间隔为30 s、抽吸持续时间2 s),预热时间为32 s,抽吸过程曲线为钟形波14。流动方程边界条件的区别在于气流的入口位置发生了
24、变化,当烟支插入烟具后,气流入口位置变成了烟具上部外壳与内壳之间的夹缝,传热方程边界条件的区别在于烟具外表面参与传热过程,因此,烟具外表面整体作为一个换热面对环境进行散热,具体位置如图4所示。数值模拟的初始温度和初始湿度与实验测量的环境条件保持一致,分别为22 和60%,空间静止。1.3.2.3物性参数设置烟具物性参数设置如表1所示,包括高分子聚合物与加热片的密度、质量比热容与导热系数。烟芯段、中空段、聚乳酸段、醋酸纤维段等材料的物性(体积比热容、导热系数)通过实验检测获得,由于实验测得的物性参数可能有一定的偏差,为了保证模拟计算结果的准确性,在模拟的过程中对物性参数在10%的范围内进行了微调
25、,调整后的参数设置结果如表2所示。空气物性参数通过查询常见物性手册获得16-17。1.3.2.4网格划分本研究中采用COMSOL Multiphysics 5.6软件平台,对三维模型进行网格划分,采用不同网格数量的模型,以烟支段出口中心最高温度为目标,对模型进行网格无关性验证。通过网格无关性验证确定划分网格总数为141 209、网格偏斜度的平均单元质量为0.606 3、最大角度的平均单元质量为0.722 6时,烟支段出口中心最高温度变化误差控制在5%以内。2结果与讨论基于多孔介质的气流流动模型与气固两相局部热平衡传热模型,模拟计算了加热卷烟烟支和烟具复合状态下在抽吸过程中的温度分布、气流场分布
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