基于CFD瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断方法和系统与流程

基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断方法和系统
技术领域
1.本发明涉及卷烟技术领域，更具体地，涉及一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断方法和系统。


背景技术：

2.近几年来，随着烟草降焦减害的推进，对于烟草滤嘴的研究也在持续进行。滤嘴作为最直接的物理降焦减害的手段，是通过将烟支燃烧产生的部分焦油和颗粒物过滤在滤嘴上。为了追求更好的过滤效果，加长滤嘴、在滤嘴中添加吸附物质、采用二元甚至多元滤嘴等各种滤嘴的改进手段也不断产生。
3.而目前检测滤嘴过滤效果，主要采用的仍是实验法，对于新研制的滤嘴，想要进行过滤实验，需要进行小批量的样品制作，而设置对照组确定最佳比例，更是需要多个对照组，实验的经济成本和时间成本都比较高。
4.因此需要一种低成本且能在短时间内对卷烟滤嘴过滤性能做出较为准确判断的方法。
5.现有技术中公开了一种卷烟主流烟气中氰化氢的滤嘴截留量测定方法，其特征在于：具体包括以下步骤：(1)卷烟抽吸：按照gb/t16450-1996抽吸4支试验卷烟，收集抽吸后的试验卷烟滤嘴；(2)样品制备：将抽吸后的滤嘴放入锥形瓶中，加入0.1mol/l的naoh溶液，振荡萃取，再取萃取液用固相萃取活性炭spe小柱净化后，得到样品制备液；(3)样品分析：样品制备液用连续流动分析仪进行测定，最终计算出卷烟主流烟气中氰化氢的滤嘴截留量。本发明的测定方法精密度好、结果准确可靠，能够能满足卷烟主流烟气中氰化氢滤嘴截留量的检测要求，对卷烟滤嘴中hcn截留效率测定和卷烟滤嘴的截留效果分析具有重要现实意义，适用于大批量样品的快速分析。但该方案需要实现进行样品制作，经济成本和时间成本较高。


技术实现要素：

6.本发明的首要目的是提供一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断方法，能够在低成本短时间内对卷烟滤嘴的过滤效果做出较为准确的判断。
7.本发明的进一步目的是提供一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断系统。
8.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
9.一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断方法，包括以下步骤：
10.s1：根据卷烟滤嘴的形状，建立包括滤嘴部分的卷烟的三维模型；
11.s2：将所述卷烟的三维模型导入至icme cfd中进行网格划分，设定边界条件进行瞬态模拟计算，得到不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图；
12.s3：根据所述不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图，判断卷烟滤嘴的过滤效果。
13.优选地，步骤s1中建立包括滤嘴部分的卷烟的三维模型，具体为：
14.采用逆向工程三维重构的方法，根据滤嘴的形状结构建立三维模型，所述三维模型包括烟丝部分。
15.优选地，步骤s2中所述边界条件由标准抽吸过程实验测量获取。
16.优选地，步骤s2中所述瞬态模拟计算的总时长为一次标准抽吸的时长。
17.优选地，步骤s2中所述抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图的位置选取至少选取烟丝燃烧端、烟丝与滤嘴交界处和滤嘴抽吸端截面。
18.优选地，步骤s3中根据所述不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图，获得滤嘴部分不同时刻的烟气速度以及烟气速度变化率。
19.优选地，步骤s3中根据所述不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图，获得滤嘴部分不同时刻的烟气粒相物质量分数、滤嘴部分不同时刻的烟气粒相物含量的变化趋势、烟丝部分不同时刻的烟气粒相物质量分数和烟丝部分不同时刻的烟气粒相物含量的变化趋势。
20.优选地，步骤s3中根据所述抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图，获得抽吸完成时，滤嘴部分的烟气粒相物质量分数和烟丝部分的烟气粒相物质量分数。
21.优选地，步骤s3中判断卷烟滤嘴的过滤效果，具体为：
22.滤嘴部分的烟气速度越小，滤嘴部分的烟气速度越稳定，越有利于过滤；
23.滤嘴部分不同时刻的烟气粒相物质量分数相对于烟丝部分对应时刻的烟气粒相物质量分数越少，过滤效果越好；
24.抽吸完成时，烟气粒相物质量分数相对于烟丝部分对应时刻的烟气粒相物质量分数越少，过滤效果越好。
25.一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断系统，包括：
26.建立模块，所述建立模块用于根据卷烟滤嘴的形状，建立包括滤嘴部分的卷烟的三维模型；
27.模拟计算模块，所述模拟计算模块用于将所述卷烟的三维模型导入至icme cfd中进行网格划分，设定边界条件进行瞬态模拟计算，得到不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图；
28.判断模块，所述判断模块用于根据所述不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图，判断卷烟滤嘴的过滤效果。
29.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
30.本发明提出基于cfd对卷烟滤嘴进行瞬态模拟，模拟结束后，根据不同时刻烟支烟气分布云图、烟支烟气粒相物分布云图、不同横截面的卷烟烟气粒相物质量分数分布云图对空腔滤嘴的过滤效果进行分析，本发明节省了时间，且能以低成本对卷烟滤嘴过滤性能做出较为准确的判断。
附图说明
31.图1为本发明的方法流程示意图。
32.图2为实施例提供的空腔滤嘴模型示意图。
33.图3为使用图2的空腔滤嘴的卷烟在0.5s、1.0s、1.5s、2.0s内部烟气速度分布云图。
34.图4为使用图2的空腔滤嘴的卷烟在0.5s、1.0s、1.5s、2.0s烟气粒相物质量分数分布云图。
35.图5为使用图2的空腔滤嘴的卷烟抽吸完成时刻(2s)不同横截面的卷烟烟气粒相物质量分数分布云图。
36.图6为实施例提供的普通滤嘴模型示意图。
37.图7为实施例提供的沟槽滤嘴模型示意图。
38.图8为三种滤嘴的卷烟在在0.5s、1.0s、1.5s、2.0s内部烟气速度分布云图对比示意图。
39.图9为三种滤嘴的空腔滤嘴的卷烟在0.5s、1.0s、1.5s、2.0s烟气粒相物质量分数分布云图。
40.图10为三种滤嘴的空腔滤嘴的卷烟抽吸完成时刻(2s)不同横截面的卷烟烟气粒相物质量分数分布云图。
41.图11为本发明的系统模块示意图。
具体实施方式
42.附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
43.为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
44.对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
45.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
46.实施例1
47.本实施例提供一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断方法，如图1，包括以下步骤：
48.s1：根据卷烟滤嘴的形状，建立包括滤嘴部分的卷烟的三维模型；
49.s2：将所述卷烟的三维模型导入至icme cfd中进行网格划分，设定边界条件进行瞬态模拟计算，得到不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图；
50.s3：根据所述不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图，判断卷烟滤嘴的过滤效果。
51.icme cfd(the integrated computer engineering and manufacturing code for computational fluid dynamics)是一种专业的cae前处理软件，cfd(computational fluid dynamics)，即计算流体动力学。
52.步骤s1中建立包括滤嘴部分的卷烟的三维模型，具体为：
53.采用逆向工程三维重构的方法，根据滤嘴的形状结构建立三维模型，所述三维模型包括烟丝部分。
54.在本实施例中，卷烟三维重构具体步骤为：
55.1、采用三维显微镜拍摄整个烟支的图像，将整个烟支的图像合成一个三维图像，并去除烟丝中孤立的孔隙和孔隙中孤立的烟丝，从三维图像中按设定间距(本实施例取61μm)抽取多个径向二值化图贴三角面片，得到多个烟支薄片stl文件；
56.2、将烟支薄片stl文件导入geomagic spark软件中，采用逆向工程三维重构的方式优化烟支薄片并建立烟支薄片实体模型，得到烟支薄片模型的文件；。
57.3、将烟支薄片模型文件导入网格划分软件(icem)中进行网格划分并行网格拉伸拼接，得到整个烟支网格化模型。
58.上述过程中2中所说的逆向工程三维重构指以下操作，：
59.(1)在烟支薄片上选取一个烟丝三维流道，在烟支薄片的正反两面分别画出该流道的轮的廓样条曲线，绘画出的流道应尽量逼近烟丝的真实流道，然后依次画出烟丝中的所有三维流道；
60.(2)将所有烟丝中的三维流道的轮廓样条曲线通过混合命令形成流道的实体；
61.(3)画出一个直径为8mm，厚度为61061μm的圆柱实体将烟支薄片完全覆盖，采用布尔命令，将该圆柱实体依次与步骤且中绘画的烟丝三维流道进行布尔减运算，得到三维重建后的烟支薄片。
62.所说的网格划分和拉伸拼接指：网格划分时候使用非结构四面体网格进行划分。使用5段烟支薄片进行拼接，在icem cfd中对每个烟支薄片进行网格划分，对前四段烟支薄片网格拉伸至12.5mm并进行拼接，从而形成整个烟支网格化模型。
63.步骤s2中将所述卷烟的三维模型导入至icme cfd15.0中进行网格划分，烟丝部分和滤嘴部分均采用interface对接，使得多段的模拟数据能够传递，考虑滤嘴模型的几何形状和尺寸，采用自上而下的octree和网格拉升技术进行划分，然后导入fluent设定边界件，边界条件根据卷烟抽吸实验确定，进行瞬态模拟计算。
64.步骤s2中所述边界条件由标准抽吸过程实验测量获取。
65.步骤s2中所述瞬态模拟计算的总时长为一次标准抽吸的时长。
66.步骤s2中所述抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图的位置选取至少选取烟丝燃烧端、烟丝与滤嘴交界处和滤嘴抽吸端截面。
67.步骤s3中根据所述不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图，获得滤嘴部分不同时刻的烟气速度以及烟气速度变化率。
68.步骤s3中根据所述不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图，获得滤嘴部分不同时刻的烟气粒相物质量分数、滤嘴部分不同时刻的烟气粒相物含量的变化趋势、烟丝部分不同时刻的烟气粒相物质量分数和烟丝部分不同时刻的烟气粒相物含量的变化趋势。
69.步骤s3中根据所述抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图，获得抽吸完成时，滤嘴部分的烟气粒相物质量分数和烟丝部分的烟气粒相物质量分数。
70.步骤s3中判断卷烟滤嘴的过滤效果，具体为：
71.滤嘴部分的烟气速度越小，滤嘴部分的烟气速度越稳定，越有利于过滤；
72.滤嘴部分不同时刻的烟气粒相物质量分数相对于烟丝部分对应时刻的烟气粒相物质量分数越少，过滤效果越好；
73.抽吸完成时，烟气粒相物质量分数相对于烟丝部分对应时刻的烟气粒相物质量分数越少，过滤效果越好。
74.实施例2
75.本实施例基于实施例1，给出实施例1的一个具体案例。
76.如图2所示，为醋酸纤维材料制成的空腔滤嘴模型示意图。
77.建立滤嘴为空腔滤嘴的卷烟三维模型，导入icem cfd进行网格划分，设置模拟参数和边界条件，然后对该卷烟模型进行瞬态模拟。
78.模拟结束后，根据不同时刻烟支烟气分布云图、烟支烟气粒相物分布云图、不同横截面的卷烟烟气粒相物质量分数分布云图对空腔滤嘴的过滤效果进行分析。
79.从图3可以看出，在标准抽吸过程中，开始抽吸后，烟气速度增大，但由于烟丝和缝隙的截留、碰撞作用，烟气流速整体有降低趋势；也同时会因为碰撞产生漩涡，使局部速度增大；在到达滤嘴空腔部分前，整体上烟气速度逐渐减缓；但由于在滤嘴的空腔部分的阻力小，造成该部位的烟气流速较大，不利于过滤。
80.从图4可以看出，在不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布呈现梯次变化，但是在滤嘴中的粒相物会逐渐积累，致使烟气粒相物质量分数随时间变化逐渐增加；同时，因为滤嘴处醋酸纤维的良好过滤效果，烟气粒相物质量分数在滤嘴处呈梯度下降趋势，但在滤嘴空腔部分的粒相物含量明显低于空腔四周的位置，这是因为空腔滤嘴的空腔部分没有醋酸纤维，使该部位的烟气粒相物与醋酸纤维的直接拦截、扩散沉积和惯性碰撞等机会减少，从而使醋酸纤维积累的烟气粒相物减少，不利于滤嘴的过滤。
81.从图5可以看出，抽吸完成时，几乎全部粒相物质通过了烟丝部分，卷烟的烟丝燃烧端和烟丝尾端的粒相物质量分数接近，烟丝部分的粒相物质量分数趋于稳定；而抽吸端的粒相物质量分数则比这两个位置都要小，体现了滤嘴的过滤效果，但滤嘴空腔四周的粒相物质量超过空腔部位，说明粒相物通过空腔的比例高于滤嘴其它部位，导致不少粒相物没有被截留，过滤效果不佳。
82.总结上述分析可知，空腔结构的醋酸纤维滤嘴的过滤效果较差。
83.如图6和7所示，分别为醋酸纤维材料制成的普通滤嘴、沟槽滤嘴模型示意图，分析其过滤效果。
84.采用逆向工程三维重构的方法，建立滤嘴为普通滤嘴、空腔滤嘴和沟槽滤嘴而烟丝部分完全相同的三支卷烟的三维模型，然后导入icem cfd进行网格划分，设置模拟参数和边界条件，分别对三种卷烟模型进行瞬态模拟。
85.模拟结束后，根据不同时刻烟支烟气分布云图、烟支烟气粒相物分布云图、不同横截面的卷烟烟气粒相物质量分数分布云图对空腔滤嘴的过滤效果进行分析。
86.从图8可以看出，在标准抽吸过程中，开始抽吸后，烟气速度增大，但由于烟丝和缝隙的截留、碰撞作用，烟气流速整体有降低趋势；也同时会因为碰撞产生漩涡，使局部速度增大。
87.对于普通滤嘴，烟丝部分速度变化较大，滤嘴部分为多孔介质，孔隙率稳定，烟气
速度稳定；对于空腔滤嘴，在烟气到达滤嘴空腔部分前，烟气速度逐渐减缓且整体速度较低，但由于在滤嘴的空腔部分的阻力过小，烟气流速迅速加快，空腔处不利于过滤；对于沟槽滤嘴，沟槽部分的阻力较小，醋酸纤维部分的阻力较大，两段滤嘴的孔隙率、结构不同，在交界处，由于阻力变化，烟气流向发生波动，但速度大小变化不大，有利于过滤。
88.从图9、图10可以看出，三种卷烟在不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布均呈现梯次变化，滤嘴中的粒相物会随时间逐渐积累，而醋酸纤维的良好过滤效果，使得烟气粒相物质量分数在滤嘴处呈梯度下降趋势；抽吸完成时，几乎全部粒相物质通过了烟丝部分，卷烟的烟丝燃烧端和烟丝尾端的粒相物质量分数接近，烟丝部分的粒相物质量分数趋于稳定；而抽吸端的粒相物质量分数则比这两个位置都要小，体现了滤嘴的过滤效果。
89.对于普通滤嘴，粒相物在滤嘴部分的分布较为均匀，且随时间逐渐增加，在抽吸结束时，烟丝燃烧端和烟丝尾端的粒相物质量分数接近，抽吸端较低，这是因为普通滤嘴是多孔介质不存在空气流道，整体阻力大；对于空腔滤嘴，滤嘴空腔部分粒相物积累较慢而周围随时间积累较快，而抽吸结束后可以看到抽吸端空腔部分质量分数低而周围高，这是因为空腔没有醋酸纤维，整体阻力较小造成的；对于沟槽滤嘴，粒相物先随时间呈梯度增加，然后出现沟槽部分含量高而中心含量略低的现象，这是由于烟气进入有沟槽部分的滤嘴时，烟气流向发生波动，同时由于沟槽的阻力较小，粒相物会更多的进入沟槽造成的。
90.总结上述分析可知，对于普通滤嘴，滤嘴部分是多孔介质，不存在空气流道，整体的阻力较大，烟气速度稳定，粒相物被截留、吸附的多，所以卷烟烟气到了抽吸端，粒相物质较少，过滤效果不错；对于空腔滤嘴，由于空腔部分没有醋酸纤维，使该部位的烟气粒相物与醋酸纤维的直接拦截、扩散沉积和惯性碰撞等机会减少，而且该部位的烟气速度过快，导致通过空腔离开滤嘴的粒相物较多，过滤效果较差；对于沟槽滤嘴，由于在沟槽部分烟气流向发生波动，使该部位的烟气粒相物与醋酸纤维的直接拦截、扩散沉积和惯性碰撞等机会增加，过滤效果较好。
91.实施例3
92.本实施例与实施例1相对应，提供一种基于cfd瞬态模拟云图的卷烟滤嘴过滤效果的判断系统，如图11，包括：
93.建立模块，所述建立模块用于根据卷烟滤嘴的形状，建立包括滤嘴部分的卷烟的三维模型；
94.模拟计算模块，所述模拟计算模块用于将所述卷烟的三维模型导入至icme cfd中进行网格划分，设定边界条件进行瞬态模拟计算，得到不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图；
95.判断模块，所述判断模块用于根据所述不同抽吸时刻的内部烟气速度分布云图、不同抽吸时刻卷烟烟气粒相物质量分数分布云图和抽吸完成时刻不同位置的烟气粒相物质量分数分布云图，判断卷烟滤嘴的过滤效果。
96.相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
97.附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
98.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可
以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。