【科研进展】加热卷烟逐口抽吸过程传热数值模型

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。       

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。

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）

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。

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

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

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

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。

图8 一个抽吸周期中的速度场 

图9 一个抽吸周期中的温度场

图10 大家所关心的各段温度的数据

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。