【重磅消息】成果发布连载第四期！加热卷烟一体化平台基本框架

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回顾第三期讲到一体化平台HABO 1.0的主要技术特点，主要7大特点：（1）重建复杂几何模型；（2）模拟各种抽吸模式；（3）模拟烟支速度分布；（4）模拟烟支温度分布；（5）模拟烟支温度变化；（6）模拟烟具能量耗散；（7）模拟烟支物质释放。

今天是第四期内容“加热卷烟一体化平台基本框架”。首先是从加热卷烟从业人员设计热的解析入手，说明我们对加热卷烟设计条件入手应该做的基本准备和对设计优化一般要求；第二，提出了一体化平台构建用户与模型间的交互方法；第三，模型计算和结果展示方面我们做了哪些尝试。所有这些，最离不开的从业者对该平台的使用和认可。

「加热卷烟设计与优化中的一般性要求」

烟草行业卷烟设计从业者开发一支新产品，通常除了配方设计外，还会考虑料香，材料和工艺方面的知识对产品的影响，这里所讲的是卷烟产品设计的四要素，如何设计一支卷烟（以后我们可以出专题进行探讨传统卷烟设计这个话题，今天不是主题），在“烟草工艺学术交流”公众号相关文案中也有涉及，简单的讲，如图1所示，从一支卷烟的构成出发，我们需要从基本流体力学的关系中掌握相关材料的性能，从卷烟纸角度，目前从行业的定义为透气度（CORESTA，CU），同时，应该从流速与压降之间的关系获得透气度的流体力学定义，当然这里有一个简单的转化关系；其他材料，如烟丝填充、丝束形成的滤棒，丝束的单旦总旦填充量以及单丝结构等等信息，经过一定的转化，就可以获得与流体相关的流速与压降间的关系。设计一支卷烟，核心是吸阻设计，在吸阻设计的同时，需要将燃烧学（燃烧过程中烟气释放动力学源项数据增加进传递模型中）、多孔介质中烟气气溶胶的迁移及热量传递过程融入需要求解的N-S方程组中，或者可以使用一维解析模型或者零维的结构化模型求解，以期或者烟支静态吸阻（也就是可以通过综合测试台获得的开吸阻和闭吸阻）、常规烟气成分（TPM，焦油、烟碱、水分和CO），如果模型足够可靠的话，可以获得逐口烟气出口温度，逐口吸阻、逐口常规烟气成分等以往只能靠吸烟机检测获得的数据，为进一步卷烟设计提供丰富的参考数据。

图1 卷烟基本结构特征

图2 加热卷烟基本结构特征

（以IQOS为例 Ref. DOI: 10.1080/15376516.2019.1669245）

让我们重新回到加热卷烟设计中来，烟草行业加热卷烟设计从业者开发一支新产品，这支新产品总体上还是变得复杂了许多，如图2所示，我们所需要关注的就不只是烟支（图2中D），还有烟具的设计，当然和研究设计相关的部分最重要的是热源（heating source）和支撑热源的烟具（IQOS Holder），烟支端，我已经及在上述传统卷烟的设计中讲到了，至少要知道如何将目前的有效设计参数转化为流体力学参数，也就是说转化为流速与压降相关关系的参数体系，另外在烟具段，热源在电路控制下热释放规律以及烟具结构信息（基本网格结构信息、所用材料信息等等，这与热量耗散密切相关，不过大家也不用担心，如果没有可以默认我们系统自带的，就像大家在使用烟支的时候，并不一定非要用自己开发的烟具，适配其他烟具做做基本常识也是有意义的事情），不过要尽量信息提供充足呀！所以讲到这里，大家可能也就明白了加热卷烟设计与优化中一般要求：1.烟支信息（与烟支组成有关的要素信息）；2.烟具信息（与热源给热以及热量耗散有关的信息）；这些信息都是必要的，但大家在使用中可以使用我们系统默认的情况，这里默认是MC，“My Cigarette，My Choice”。

「一体化平台构建用户与模型间的交互方法」

这里我们项目中构建了两种与用户进行交互的方法，一种是网络版的；一种是单机版的；首先网络版（目前还在开发和调试中）主要供加热卷烟从业设计者通过常用网页浏览器访问使用。软件提供交互式网站服务，采用了asp.net 开发框架，基于C#语言和Visual Studio 2019集成开发环境，实施了典型的开发模式过程及远程部署，实现了对 HTML、CSS 和 JavaScript 的完全控制。客户端采用浏览器作为人机交互界面，用户登录认证后，可根据需要填写表单，提交对加热卷烟产品的需求参数，信息传递至服务器后台及数据库中。设计人员通过后台系统获取用户需求，基于该参数进行计算，得到期待的加热卷烟产品指标（当然这些指标一定的符合逻辑可以选择的），同时将设计系统分析获得的结果进行相应的分析，最后通过网页图表的形式返回设计分析的结果。图表通过ECharts开源工具包，在网页中以清晰美观的风格展示设计结果。人机交互平台设计的总体结构框图如图3所示。

图3 加热卷烟设计人机交互平台整体架构

（网络版）

单机版应用程序，主要由专业设计人员在工作站上操作使用。基于Visual Studio 2019集成开发环境，采用了C#语言进行了逻辑设计并使用WinForm开发了软件界面。程序内联有Matlab仿真程序固化而成的dll模块，通过调用dll模块提供的接口API，仿真参数作为形式参数被参数，实现仿真运行系统服务器后台对Matlab调用，同时进一步利用可调用的传递参数并进行N-S方程组的求解。计算结果数据通过程序写入本地数据库中。功能包括：设定物理场、建立几何模型、设置材料属性和边界条件等分析条件、网格划分及结果后处理。该中间件应用程序的总体架构如图4所示。

图4 加热卷烟设计人机交互平台整体架构

（单机版）

由于我们担心大家打开软件不知道该做什么，还想看结果，所以，在该工业软件中必要的库是需要的，例如在使用加热卷烟时需要具备一定的知识，我们据此建立的必要的知识库，知识库中包括了抽吸参数（ISO，HCI和许多自定义模式）、加热参数、多物理场模型参数（一些基本的参数性能）、实验数据以及烟支物性参数、烟具物性参数等。先让大家看看知识库的真图吧，如图5所示，当然还可以放进去好多东西。

图5 加热卷烟一体化软件平台中的知识库

当然，软件在发挥作用时，做根本的还是做好输入，烟支信息库与烟具信息库是各个企业研发的核心内容，这里不做过多介绍，就像之前说过的那样，与热质传递相关的参数无论如何都需要转化成科学的数据进入网格和模型计算中。这部分也是软件使用者进阶的关键。

「模型计算和结果展示方面我们做了哪些尝试」

在该系列公众号中我们已经在功能上展示了（1）重建复杂几何模型；（2）各种抽吸模式；（3）烟支速度分布；（4）烟支温度分布（图6所示）；（5）烟支温度变化；（6）烟具能量耗散；（7）烟支物质释放。

另外，对电阻片式加热器（图8）、针式加热器（图9）、电磁加热（图10）等均能表现良好的计算能力。

四期介绍全部结束，下周一3月28日，我们将公布我们团队的申请使用方案，报名是没有截止时间的，如果大家有意愿申请使用该软件，请及时与我们团队取得联系。这次是我们公众号刊发文案最多的一次报道，我们可能已经占用了大家太多的时间，因此可以用莱辛（G.E.Lessing,1729-1781，德国的启蒙运动者，诗人，思想家）的警句恰到好处地结束：“如果你们在这些书页中没有发现哪是值得感谢的，那么你们至少对于我已经出让给你们的东西心存感激。”

原文始发于微信公众号（烟草工艺学术交流）