抽上一支NSCs-FARSTAR,向大家推介我们团队最新发表的一篇论文《加热卷烟逐口抽吸过程传热数值模型》(图1,论文总览),这是我们开展加热卷烟领域的N篇论文之一了,无非是计算一下加热卷烟所关注的烟气温度、烟支各段结构的流场(动量通量)、抽一口烟支周围热量耗散量等等大家比较关注的指标,动量通量就是单位时间通过单位面积的动量,就是面力,和流体流动有关(就是通常所说的动量传递),和压强一个单位。热量通量同理就是单位时间通过单位面积的热量,和热量的传递有关(就是通常所述的热量传递)。另外质量传递-关于烟气生成的计算论文我们在其他工作中有涉及,在这里就不介绍了(其他论文)。这篇文章就是说的这件事儿,可能我讲了半天也无法讲得太明白,是我的错。       

 

【科研进展】加热卷烟逐口抽吸过程传热数值模型

图1 论文总览

 

这里呢,我在解释一下,大家已经都基本知道了,之前我在公布HABO1.0时有详细的介绍我们为什么做这件事儿,因为这里对传递过程的理解将对我们设计一支加热卷烟至关重要,因为传热过程热的解析是基础。动量、质量共同组成的传递过程是我们需要解决的重要问题,而传递过程是化学工程学科的基础,其研究方法主要有实验、理论和计算三种。三种方法各有优势,实验提供理论和计算的验证数据,无论理论和计算多厉害,实验就是实验,我似乎记得诺贝尔奖获得者费曼曾经说过:“我们的一切知识都是来自于我们对真实世界的测量”;理论是指导试验和计算的,并且可以将实验结果推广的一般性场景中,从特殊的“实验结果”可以通过理论推广到一般;计算可以完善理论和实验,将极为优美的云图等展现我们始终处于一个美丽世界。

 

【科研进展】加热卷烟逐口抽吸过程传热数值模型
【科研进展】加热卷烟逐口抽吸过程传热数值模型

图2 文中所用的烟具和烟支

 

这篇文章重点解决动量和热量传递问题,热源与烟支间的传热主要通过导热,这个使用一般性的导热方程即可(傅里叶传热定律),但其中增加的抽吸过程,这个问题转变为流体中的传热问题,而在流体中传热问题有两种类型,就是通常所说的强制对流和自然对流(自然烟气卷烟NSC起名是否来源于此呢,这是后话),强制对流的流行一般是有外力决定的,抽烟虽然比较容易的,但是也是需要消费者运丹田之气,消耗不知道几卡路里的能量。而这一篇文章介绍的是传统的HNB的文章,所以自然对流要把“自然”拿掉,增加“强制”二字,因为抽烟费劲呀,而且流体流经了烟草段(发烟段,图2烟支中前15mm),从模型构建以及求解过程上讲,在强制对流情况下,这个建模和求解过程可以先求出速度分布,然后再行对传热过程进行计算,得到温度分布(嘻嘻,我确实不愿意把一堆方程组放在我的公众号文章里),文中介绍这个工作时,也是以这样的顺序进行叙事的,先写了运动方程,让气流跑起来,然后写了传热方程,让温度热起来。其动力来源于加热器和气体流动(图3所示)

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图3  抽吸时的流体流动(半部正弦曲线)

这篇文章中,我们还公布了我们实验测试的绝活,图4所示,大家说像不像一捆炸药。

 

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图4 测试堆积状态的下导热系统和比热容

 

这个确实拼了,通过串并联的关系模拟构建可以检测的环境,是我们一直以来创新的基础,其实文章的最大好处是分享,所有这些绝技获得的参数,大家要是相信我们团队的话,直接引用就好,文中表格直接告诉大家想知道的核心参数及其物理意义的表达,图5所示

 

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图5 传热计算中使用的模型参数

 

对了,别把热源给忘记了,图6是计算使用的热源数据

 

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图6 计算使用的热源数据

 

另外,其实最难的还有周围散热的计算,这个牛顿冷却定律中的对流换热系统也是难倒了一群人等,暂时用这个方面的数据进行解决,图7所示

 

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图7 努塞尔数与普朗特数和格拉晓夫数的关系

 

在化工工程领域的获得的无因次准确一般都是有明确的物理意义,这里可不是随便的,因为每一个背后都是一个“骄傲的姓氏”。

接下来就是交给计算机计算就好了,王乐博士还是利用他所熟悉的多物理场工具,先求解速度场,图8所示,再求解温度场,图9所示,另外转变下数据展现方式,图0所示,计算下消耗等等。

 

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图8 一个抽吸周期中的速度场 

 

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图9 一个抽吸周期中的温度场

 

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图10 大家所关心的各段温度的数据

 

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图11 又计算了加热片和卷烟外周的热通量

最后,感谢所有参与这项工作的合作者,正是有你们的参与和支持,我们才能在科研的道路上不断前行。

同时也期待加热卷烟领域的从业者继续和我们保持联系,我们的加热卷烟工业软件设计平台HABO1.0一直都始终免费为大家开放,目前更多的算例仍在计算中,已经报名的朋友们继续耐心期待。

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加热卷烟逐口抽吸过程传热数值模型

原文始发于微信公众号(烟草工艺学术交流)

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作者 xie, yao