卷烟通风率的计算方法与流程

技术特征：
1.一种卷烟通风率的计算方法，其特征在于，包括：基于卷烟的结构特征和物性特征，建立卷烟通风率控制方程，其中，所述结构特征包括：将具有2排通风孔的卷烟划分为5个流动区域，分别为烟丝前段、烟丝后段、滤嘴嘴前段、滤嘴中段和滤嘴后段，烟丝前段和烟丝后段的区别为烟丝前段被卷烟纸包裹，而烟丝后段被接装纸包裹；烟丝前段有气流从卷烟纸渗透进入卷烟，而烟丝后段则没有气流渗透进入卷烟；滤嘴前段与滤嘴中段之间、滤嘴中段与滤嘴后段之间均存在均匀分布的相同通风，滤嘴前段、滤嘴中段、滤嘴后段的区别在于滤嘴内部气流速率不同；根据卷烟气流入口端、卷烟纸和卷烟通风孔外围的压降、卷烟出口端的抽吸速度和卷烟各个流动区域的速率变化情况，确定所述卷烟通风率控制方程的边界条件；根据所述卷烟通风率控制方程的边界条件，计算卷烟总通风率和滤嘴通风率。2.根据权利要求1所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述物性特征包括卷烟接装纸除了通风孔外区域均不透气；卷烟和空气的物性参数在气流流动过程中固定不变，所述基于卷烟的结构特征和物性特征，建立卷烟通风率控制方程，具体包括：确定卷烟各个流动区域的气流运动方程；确定卷烟纸透气速率和卷烟通风孔透气速率；对卷烟烟丝前段的气流运动进行微元分析；根据气流质量连续性衡算；根据气流运动方程和气流质量连续性衡算结果，得到卷烟烟丝前段压降控制方程；求解卷烟烟丝前段压降控制方程，得到卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布；根据卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布和气流运动方程，得到卷烟烟丝前段气流速率沿卷烟轴向分布；卷烟烟丝后段被接装纸包裹，气流速率不发生变化，仅仅是压降增加；对卷烟滤嘴前段、滤嘴中段、滤嘴后段的气流运动进行分析，气流经过滤嘴通风孔区域之前，滤嘴内部气流速率保持恒定不变，压降增加；经过滤嘴通风孔区域之后，滤嘴内部气流速率发生阶跃增加，气流增量为式中，n表示每列通风孔的个数，r
h
表示通风孔的半径，单位为m。3.根据权利要求2所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述确定卷烟各个流动区域的气流运动方程，具体包括：通过以下公式确定烟丝前段与烟丝后段的气流运动方程：式中：u表示空气在卷烟内部的渗透速率，单位为m/s，k
c
表示卷烟烟丝段渗透率，单位为m2，μ表示空气黏度，单位为pa
·
s，p表示卷烟内部压降，单位为pa，x表示卷烟内部坐标，单位为m；通过以下公式确定滤嘴前段、滤嘴中段与滤嘴后段的气流运动方程；
式中:k
f
表示卷烟滤嘴段渗透率，单位为m2。4.根据权利要求3所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述确定卷烟纸透气速率和卷烟通风孔透气速率，具体包括：基于卷烟纸透气速率仅仅是卷烟纸两侧压降的函数的假设，通过以下公式确定卷烟纸透气速率：v＝1.6667
×
10-7
αp
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(3)式中：v表示空气透过卷烟纸的渗透速率，单位为m/s，α表示卷烟纸的透气度，单位为cu；基于卷烟通风孔透气速率也只是卷烟成型纸两侧压降的函数的假设，通过以下公式确定卷烟通风孔透气速率：w＝1.6667
×
10-7
βp
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中：w表示空气透过通风孔的渗透速率，单位为m/s，β表示卷烟通风孔的透气度，单位为cu。5.根据权利要求4所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述对卷烟烟丝前段的气流运动进行微元分析，具体包括：烟丝内部气流增量πr2du，卷烟纸透气增量为2πrvdx，式中，r表示卷烟半径，单位为m，du表示气流在微元内的增量，单位为m/s，dx表示卷烟轴向微元，单位为m，所述根据气流质量连续性衡算，具体包括：烟丝内部气流增量等于卷烟纸透气增量可得：式中，r表示卷烟半径，单位为m，所述根据气流运动方程和气流质量连续性衡算结果，得到卷烟烟丝前段压降控制方程，具体包括：将公式(1)两边分别对x求导并代入公式(5)，可得卷烟烟丝前段压降控制方程：式中，所述求解卷烟烟丝前段压降控制方程，得到卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布，具体包括：求解二阶线性常微分方程(6)，可得卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布为：p＝ae
λx
be-λx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)式中，a与b为待定系数，所述根据卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布和气流运动方程，得到卷烟烟丝前段气流速率沿卷烟轴向分布，具体包括：将公式(7)代入公式(1)，可得卷烟烟丝前段气流速率沿卷烟轴向分布为：
6.根据权利要求5所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述根据卷烟气流入口端、卷烟纸和卷烟通风孔外围的压降、卷烟出口端的抽吸速度和卷烟各个流动区域的速率变化情况，确定所述卷烟通风率控制方程的边界条件，具体包括：根据卷烟气流入口端、卷烟纸和卷烟通风孔外围的压降，得到卷烟通风率控制方程的压降边界条件；根据卷烟出口端的抽吸速度，得到卷烟通风率控制方程的速度边界条件；根据卷烟通风率控制方程的压降边界条件和卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布，得到两个待定系数a与b的关系；根据两个待定系数a与b的关系，得到卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布和卷烟烟丝前段气流速率沿卷烟轴向分布的计算公式；通过求解卷烟通风率控制方程的速度边界条件的出口端边界条件，计算常数a；分别根据sinh(x)函数和cosh(x)函数的幂级数展开式，得到卷烟烟丝前段压降渐进展开式、卷烟烟丝前段速率渐进展开式；根据卷烟各个流动区域的速率变化情况，得到所述卷烟通风率控制方程的压降边界条件和速率边界条件。7.根据权利要求6所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述根据卷烟气流入口端、卷烟纸和卷烟通风孔外围的压降，得到卷烟通风率控制方程的压降边界条件，具体包括：卷烟气流入口端、卷烟纸、以及卷烟通风孔外围均为大气压，压降p为0，即p(x0)＝p(0)＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)，所述根据卷烟出口端的抽吸速度，得到卷烟通风率控制方程的速度边界条件，具体包括：卷烟出口端恒速抽吸，为速度边界，即u(x5)＝u0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)式中，u0表示卷烟出口恒速抽吸速率，单位为m/s。8.根据权利要求7所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述根据卷烟通风率控制方程的压降边界条件和卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布，得到两个待定系数a与b的关系，具体包括：将公式(9)代入公式(7)，可得参数a b＝0；所述根据两个待定系数a与b的关系，得到卷烟烟丝段内部压降沿卷烟轴向分布和卷烟烟丝前段气流速率沿卷烟轴向分布的计算公式，具体包括：将a b＝0分别代入公式(7)和公式(8)，可得：p＝a(e
λx-e-λx
)＝2asinh(λx)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)式中，sinh(x)表示双曲正弦函数，cosh(x)表示双曲余弦函数；
所述通过求解卷烟通风率控制方程的速度边界条件的出口端边界条件，计算常数a，具体包括：通过求解公式(10)的出口端边界条件，获得常数a，所述分别根据sinh(x)函数和cosh(x)函数的幂级数展开式，得到卷烟烟丝前段压降渐进展开式、卷烟烟丝前段速率渐进展开式，具体包括：分别根据sinh(x)函数和cosh(x)函数的幂级数展开式，分别根据sinh(x)函数和cosh(x)函数的幂级数展开式，可得卷烟烟丝前段压降渐进展开式为p＝2aλx
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)此式说明卷烟烟丝前段压降可以近似认为沿轴向位置呈线性函数变化；相应的，卷烟烟丝前段速率渐进展开式为此式说明卷烟烟丝前段速率可以近似认为沿轴向位置呈二次函数变化。9.根据权利要求8所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述根据卷烟各个流动区域的速率变化情况，得到所述卷烟通风率控制方程的压降边界条件和速率边界条件，具体包括：卷烟内部各个段两侧压力连续，即p(x
i
0)＝p(x
i-0)
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(16)式中：i分别取1到5，表示卷烟不同特征段的各个节点；对于卷烟内部各段速率关系，其中烟丝前段与烟丝后段速率连续，即u(x1 0)＝u(x
1-0)
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(17)烟丝后段与滤嘴前段速率连续，即u(x
2-0)＝u(x1 0)
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(18)滤嘴前段内部入口与出口速率保持不变，即u(x
3-0)＝u(x2 0)＝u(x
2-0)
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(19)滤嘴前段与滤嘴中段存在通风孔，速率发生阶跃，即滤嘴中段内部速率不发生变化，即u(x
4-0)＝u(x3 0)
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(21)滤嘴中段与滤嘴后段存在通风孔，速率发生阶跃，即
滤嘴后段内部速率不发生变化，与卷烟出口速率相同，即u(x5)＝u(x4 0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)对于给定的恒定抽吸速率，u(x5)已知，即可获得常数a的取值。10.根据权利要求9所述的卷烟通风率的计算方法，其特征在于，所述根据所述卷烟通风率控制方程的边界条件，计算卷烟总通风率和滤嘴通风率，具体包括：以预设型号的卷烟为具体研究对象，根据参数计算可得λ≈6.926，卷烟恒速抽吸体积流率q0为17.5
×
10-6
m3/s，即气流出口速u0为0.3778m/s；根据卷烟不同区域压力与速率连续性边界条件，近似可得关于a的线性方程，求解可得：得：得：得：从上式可以看出，常数a与卷烟气流出口速率成正比，即与卷烟抽吸体积流率成正比；卷烟出口压降可以表示为：p0＝p(x5)＝2a[s3sinh(λx1) s4cosh(λx1)])]即从公式(26)可以看出卷烟出口压降与卷烟抽吸速率成正比例关系；卷烟总通风率和滤嘴通风率分别可以表示为：

技术总结
本发明公开了一种卷烟通风率的计算方法，其包括：基于卷烟的结构特征和物性特征，建立卷烟通风率控制方程；根据卷烟气流入口端、卷烟纸和卷烟通风孔外围的压降、卷烟出口端的抽吸速度和卷烟各个流动区域的速率变化情况，确定所述卷烟通风率控制方程的边界条件；根据所述卷烟通风率控制方程的边界条件，计算卷烟总通风率和滤嘴通风率。本发明提供的卷烟通风率的计算方法，基于卷烟的结构特征及物性特征，建立卷烟通风率控制方程，根据卷烟不同特征段的压降、抽吸速度和速率变化情况，确定其边界条件，进而计算卷烟总通风率和滤嘴通风率，为卷烟产品通风率的稳定性提供理论基础，有助于提高卷烟质量。提高卷烟质量。提高卷烟质量。


技术研发人员：李超 李娥贤 范多青 魏玉玲 赵辉 王璐
受保护的技术使用者：云南中烟工业有限责任公司
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/7/21