一种建立模拟卷烟燃烧的计算流体力学模型的方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型的方法，包括：a)建立模拟卷烟燃烧场景的几何模型；b)建立模拟卷烟燃烧场景内物理和/或化学反应的方程，包括：建立烟丝热解反应动力学方程；建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程；c)采用计算流体力学软件的求解软件(例如Fluent、CFX、Phoenics、Flow3d、Flowmaster)加载步骤a)的几何模型和步骤b)的方程，建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型。该方法建立的模型能够准确模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场。

A method and system for establishing a computational fluid dynamics model for the simulation of cigarette combustion

\u672c\u53d1\u660e\u6d89\u53ca\u4e00\u79cd\u5efa\u7acb\u6a21\u62df\u5377\u70df\u71c3\u70e7\u65f6\u6e29\u5ea6\u573a\u548c/\u6216\u7269\u8d28\u6d53\u5ea6\u573a\u7684\u8ba1\u7b97\u6d41\u4f53\u529b\u5b66\u6a21\u578b\u7684\u65b9\u6cd5\uff0c\u5305\u62ec\uff1aa)\u5efa\u7acb\u6a21\u62df\u5377\u70df\u71c3\u70e7\u573a\u666f\u7684\u51e0\u4f55\u6a21\u578b\uff1bb)\u5efa\u7acb\u6a21\u62df\u5377\u70df\u71c3\u70e7\u573a\u666f\u5185\u7269\u7406\u548c/\u6216\u5316\u5b66\u53cd\u5e94\u7684\u65b9\u7a0b\uff0c\u5305\u62ec\uff1a\u5efa\u7acb\u70df\u4e1d\u70ed\u89e3\u53cd\u5e94\u52a8\u529b\u5b66\u65b9\u7a0b\uff1b\u5efa\u7acb\u70df\u4e1d\u70ed\u89e3\u4ea7\u7269\u71c3\u70e7\u53cd\u5e94\u52a8\u529b\u5b66\u65b9\u7a0b\uff1b\u5efa\u7acb\u5377\u70df\u7eb8\u71c3\u70e7\u53cd\u5e94\u52a8\u529b\u5b66\u65b9\u7a0b\uff1b\u5efa\u7acb\u5377\u70df\u7eb8\u6e17\u900f\u7387\u968f\u6e29\u5ea6\u53d8\u5316\u7684\u65b9\u7a0b\uff1bc)\u91c7\u7528\u8ba1\u7b97\u6d41\u4f53\u529b\u5b66\u8f6f\u4ef6\u7684\u6c42\u89e3\u8f6f\u4ef6(\u4f8b\u5982Fluent\u3001CFX\u3001Phoenics\u3001Flow3d\u3001Flowmaster)\u52a0\u8f7d\u6b65\u9aa4a)\u7684\u51e0\u4f55\u6a21\u578b\u548c\u6b65\u9aa4b)\u7684\u65b9\u7a0b\uff0c\u5efa\u7acb\u6a21\u62df\u5377\u70df\u71c3\u70e7\u65f6\u6e29\u5ea6\u573a\u548c/\u6216\u7269\u8d28\u6d53\u5ea6\u573a\u7684\u8ba1\u7b97\u6d41\u4f53\u529b\u5b66\u6a21\u578b\u3002 The model established by this method can accurately simulate the temperature field and / or the substance concentration field in the combustion of cigarettes.

【技术实现步骤摘要】
一种建立模拟卷烟燃烧的计算流体力学模型的方法和系统
本专利技术属于卷烟领域，具体涉及一种建立模拟卷烟燃烧的计算流体力学模型的方法和系统。
技术介绍
在卷烟燃烧模型研究进展一文(中国烟草学报，2013(2):115-122.)中，李巧灵等对卷烟燃烧模型的研究进展进行了综述。该文介绍了目前文献中所报道的阴然和吸燃模型。对于阴燃过程，气体的流速是确定的，所以此过程发生的反应在化学计量学和动力学的控制范围，因此卷烟的阴燃模型研究得相对较多。在卷烟阴燃过程的数值模拟一文(烟草科技，2014(6))中，李巧灵等对文献中已经报道的卷烟阴燃模型进行整合，并利用Fluent软件建立了一个相对完善的卷烟阴燃模型，该模型可模拟卷烟燃烧过程中不同时刻的温度场分布，卷烟烟气中氧气、一氧化碳、二氧化碳和水蒸气的浓度场分布，并将阴燃线性燃烧速度和卷烟内部最高温度模拟值与实验值进行对比。
技术实现思路
专利技术人发现，在卷烟燃烧过程中，气体区域的空气会通过卷烟纸进入烟丝区域，卷烟纸渗透率高，则气体区域的气体进入烟丝区域的阻力小，卷烟纸渗透率低则气体区域的空气进入烟丝区域的阻力大。专利技术人进一步发现，卷烟纸的渗透率随卷烟纸的燃烧状态发生改变，已燃烧的卷烟纸和未燃烧的卷烟纸的渗透率是不同的，因此，在卷烟燃烧模型中需要模拟卷烟纸的燃烧过程，进而确定哪一部分卷烟纸为已燃烧卷烟纸，哪一部分卷烟纸为未燃烧卷烟纸，进而准确地设定不同区域的卷烟纸的渗透率。专利技术人进一步发现，卷烟纸除了已燃烧状态和未燃烧状态，还有一部分靠近燃烧端的卷烟纸处于受热变(焦)黄的状态，专利技术人创造性地发现，对于受热变(焦)黄的卷烟纸，其渗透率既不同于已燃烧卷烟纸，也不同于未燃烧卷烟纸，准确设定受热变(焦)黄的卷烟纸的渗透率，能够进一步提高模拟结果的准确性。本专利技术第一方面提供一种建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型的方法：a)建立模拟卷烟燃烧场景的几何模型；b)建立模拟卷烟燃烧场景内物理和/或化学反应的方程，包括：建立烟丝热解反应动力学方程；建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程；c)采用计算流体力学软件的求解软件(例如Fluent、CFX、Phoenics、Flow3d、Flowmaster)加载步骤a)的几何模型和步骤b)的方程，建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型。本专利技术又一方面提供一种用于建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型的系统，包括：几何模型建立模块(例如Gambit软件)，其用于建立模拟烟草燃烧场景的几何模型；物理和/或化学反应方程建立模块，该模块包括烟丝热解反应动力学方程建立模块；烟丝热解产物燃烧反应动力学方程建立模块；卷烟纸燃烧反应动力学方程建立模块；卷烟纸渗透率随温度变化的方程建立模块；计算流体力学模型建立模块，其采用计算流体力学软件的求解软件加载几何模型建立模块建立的几何模型和物理和/或化学反应方程建立模块建立的方程，建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型。在一个实施方案中，烟丝热解反应动力学方程建立模块用于建立烟丝热解反应动力学方程。在一个实施方案中，烟丝热解产物燃烧反应动力学方程建立模块用于建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程。在一个实施方案中，卷烟纸燃烧反应动力学方程建立模块用于建立卷烟纸燃烧反应动力学方程。在一个实施方案中，卷烟纸渗透率随温度变化的方程建立模块用于建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程。在一个实施方案中，建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程的方法包括：设定第一温度的卷烟纸具有第一渗透率；设定第二温度的卷烟纸具有第二渗透率；设定第三温度的卷烟纸具有第三渗透率；优选地，第一温度为aK以下，第一渗透率为0.5×10-15～5×10-15m2；第二温度为a～bK，第二渗透率为1.5×10-9～6×10-9m2；第三温度为bK以上，第三渗透率为0.5×105～5×105m2；a＝450～500K(例如473K)，b＝600～650K(例如623K)；优选地，设定卷烟纸渗透率为单向变化，只增大不减小。在一个实施方案中，第一温度的卷烟纸为未燃烧卷烟纸。在一个实施方案中，第二温度的卷烟纸为受热变黄的卷烟纸。在一个实施方案中，第三温度的卷烟纸为已燃烧卷烟纸。在一个实施方案中，建立卷烟纸燃烧反应动力学方程的方法包括：-在含氧气氛下加热卷烟纸样品，采用热重分析法检测卷烟纸样品的质量变化，测得卷烟纸受热时的微分热重曲线；-对所述微分热重曲线进行分峰拟合，将曲线分为m个单峰曲线；-将m个(例如2、3、4或5个)单峰曲线拟合为m个反应j的动力学方程：各反应j的动力学方程如下：j＝1～m，j和m为正整数；az，j为反应j的转化率、为反应j的转化率对时间的导数，Tz为加热卷烟纸的温度，R为理想气体常数，Az，j为反应j的指前因子，Ez，j为反应j的活化能，nz，j为反应j的反应级数；az，j、Tz由卷烟纸受热时的微分热重曲线获得，Az，j、Ez，j和nz，j通过拟合获得。在一个实施方案中，建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程的方法包括：建立对应第一氧气浓度的第一烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；建立对应第二氧气浓度的第二烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；以及可选地，建立对应第二氧气浓度的第二烟丝热解产物燃烧反应动力学方程。在一个实施方案中，建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程的方法包括：-在s种(例如2、3、4、5、6或7种)氧气浓度的含氧气氛下加热烟丝热解产物，采用热重分析法检测烟丝热解产物的质量变化，分别测得s个烟丝热解产物受热时的微分热重曲线，s为正整数(优选k≥2)；-将s个微分热重曲线分别拟合为以下反应k的动力学方程：k为正整数；αc，k为反应k的转化率，为反应k的转化率αc，k对时间t的导数，Tc为加热温度，R为理想气体常数，Ec，k为反应k的活化能，nc，k为反应k的反应级数，ρo2为氧气密度；ac，k和T根据微分热重曲线获得，Ac、Ec，k和nc，k通过拟合获得。在一个实施方案中，s种氧气浓度在1～25vol％范围内；在一个实施方案中，相邻两种氧气浓度相差至少2vol％；在一个实施方案中，s≥k≥2，s和k为正整数；在一个实施方案中，k＝2、3、4、5、6、7或8；在一个实施方案中，s＝2、3、4、5、6、7或8；在一个实施方案中，s种氧气浓度包括以下7种氧气浓度：0.8～1.2vol％、1.5～2.5vol％、2.8～3.5vol％、4～6vol％、8～12vol％、16～18vol％、19～22vol％；在一个实施方案中，建立烟丝热解反应动力学方程的方法包括：-在非氧化气体气氛(例如氮气氛)下加热烟丝样品，采用热重分析法检测烟丝样品的质量变化，绘制烟丝样品的微分热重曲线；-对所述微分热重曲线进行分峰拟合，将曲线分为n个单峰曲线；-将n个(例如2、3、4、或5个)单峰曲线拟合为n个反应i的动力学方程：i＝1、2…n，n和i均为整数；av，i为反应i的转化率、为反应i的转化率对时间的导数，Tv为加热烟丝样品的温度，β为加热烟丝样品的升温速率，R为理想气体常数，Av，i为反应i的指前因子，mv，i为反应i的升温速率修正参数，E本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型的方法，包括：a)建立模拟卷烟燃烧场景的几何模型；b)建立模拟卷烟燃烧场景内物理和/或化学反应的方程，包括：建立烟丝热解反应动力学方程；建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程；c)采用计算流体力学软件的求解软件(例如Fluent、CFX、Phoenics、Flow3d、Flowmaster)加载步骤a)的几何模型和步骤b)的方程，建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型。

【技术特征摘要】
1.一种建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型的方法，包括：a)建立模拟卷烟燃烧场景的几何模型；b)建立模拟卷烟燃烧场景内物理和/或化学反应的方程，包括：建立烟丝热解反应动力学方程；建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸燃烧反应动力学方程；建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程；c)采用计算流体力学软件的求解软件(例如Fluent、CFX、Phoenics、Flow3d、Flowmaster)加载步骤a)的几何模型和步骤b)的方程，建立模拟卷烟燃烧时温度场和/或物质浓度场的计算流体力学模型。2.根据权利要求1所述的方法，建立卷烟纸渗透率随温度变化的方程的方法包括：设定第一温度的卷烟纸具有第一渗透率；设定第二温度的卷烟纸具有第二渗透率；设定第三温度的卷烟纸具有第三渗透率；优选地，第一温度为aK以下，第一渗透率为0.5×10-15～5×10-15m2；第二温度为a～bK，第二渗透率为1.5×10-9～6×10-9m2；第三温度为bK以上，第三渗透率为0.5×105～5×105m2；a＝450～500K，b＝600～650K；优选地，设定卷烟纸渗透率为单向变化，只增大不减小。3.根据权利要求1所述的方法，建立卷烟纸燃烧反应动力学方程的方法包括：-在含氧气氛下加热卷烟纸样品，采用热重分析法检测卷烟纸样品的质量变化，测得卷烟纸受热时的微分热重曲线；-对所述微分热重曲线进行分峰拟合，将曲线分为m个单峰曲线；-将m个单峰曲线拟合为m个反应j的动力学方程：各反应j的动力学方程如下：j＝1～m，j和m为正整数；az，j为反应j的转化率、为反应j的转化率对时间的导数，Tz为加热卷烟纸的温度，R为理想气体常数，Az，j为反应j的指前因子，Ez，j为反应j的活化能，nz，j为反应j的反应级数；az，j、Tz由卷烟纸受热时的微分热重曲线获得，Az，j、Ez，j和nz，j通过拟合获得。4.根据权利要求1所述的方法，建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程的方法包括：建立对应第一氧气浓度的第一烟丝热解产物燃烧反应动力学方程；建立对应第二氧气浓度的第二烟丝热解产物燃烧反应动力学方程。5.根据权利要求1所述的方法，建立烟丝热解产物燃烧反应动力学方程的方法包括：-在s种氧气浓度的含氧气氛下加热烟丝热解产物，采用热重分析法检测烟丝热解产物的质量变化，分别测得k个烟丝热解产物受热时的微分热重曲线；-将s个微分热重曲线分别拟合为以下反应k的动力学方程：k为正整数；αc，k为反应k的转化率，为反应k的转化率αc，k对时间t的导数，Tc为加热温度，R为理想气体常数，Ec，k为反应k的活化能，nc，k为反应k的反应级数，ρo2为氧气密度；ac，k和T根据微分热重曲线获得，Ac、Ec，k和nc，k通过拟合获得。s≥k≥2，s和k为正整数。6.根据权利要求1所述的方法，建立烟丝热解反应动力学方程的方法包括：-在非氧化气体气氛(例如氮气氛)下加热烟丝样品，采用热重分析法检测烟丝样品的质量变化，绘制烟丝样品的微分热重曲线；-对所述微分热重曲线进行分峰拟合，将曲线分为n个单峰曲线；-将n个单峰曲线拟合为n个反应i的动力学方程：i＝1、2...n，n和i均为整数；av，i为反应i的转化率、的反应i的转化率对时间的导数，Tv为加热烟丝样品的温度，β为加热烟丝样品的升温速率，R为理想气体常数，Av，i为反应i的指前因子，mv，i为反应i的升温速率修正参数，Ev，i为反应i的活化能，nv，i为反应i的反应级数；Tv、β由烟丝样品的微分热重曲线获得，Av，i、mv，i、Ev，i和nv，i通过拟合获得。7.根据权利要求1所述的方法，步骤b)还包括，建立对应不同氧气浓度的有害成分生成量与温度的关系方程，优选地，建立对应不同氧气浓度的有害成分释放量与温度的关系方程的方法包括：在不同氧气浓度的气氛下加热烟丝样品；检测烟丝样品受热时有害成分的释放量与加热温度的关系；根据上一步的检测结果拟合对应不同氧气浓度的有害成分释放量与温度的关系方程；优选地，有害成分为CO或焦油。8.根据权利要求1所述的方法，步骤b)还包括建立滤棒对焦油的截留率方程的步骤：优选地，滤棒对焦油的截留率方程包括：es＝EIN+EIM+ED+EID；其中，EIN、EIM、ED、EID是中间参数；...

【专利技术属性】
技术研发人员：李巧灵，李跃锋，刘泽春，邓其馨，黄华发，黄朝章，张建平，黄惠贞，林艳，谢卫，
申请(专利权)人：福建中烟工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：福建,35