[发明专利]一种基于模拟仿真的二元中空滤嘴吸阻预测模型构建方法

说明书

本发明公开了一种基于模拟仿真的二元中空滤嘴吸阻预测模型构建方法，首先针对现有的二元中空滤嘴样品的醋纤段基棒及中空段滤棒丝束获取多孔介质物性参数；将上述物性参数及滤嘴的几何参数输入数值仿真求解器中，并选取合适的网格设置及数值方法对该二元中空滤嘴进行数值模拟，将模拟结果与该样品的实测吸阻进行对比，从而验证该仿真模型；再构建细长体形式的中空滤棒进行仿真得到该二元中空滤嘴吸阻的醋纤段、界面效应及中空段三部分组成；根据流体力学原理及上述结果得到不同中空段长度及截面积大小设计下的三部分吸阻预测公式，获得中空滤嘴的吸阻预测模型，用于灵活调整和辅助该形状下的二元中空滤嘴产品设计。

技术领域

本发明属于烟草产品设计技术领域，具体涉及一种基于模拟仿真的二元中空滤嘴吸阻预测模型构建方法。

背景技术

过滤嘴香烟是目前全世界最主流的香烟类型，其实现了烟气过滤、手持支撑、提供吸阻等多方面功能。过滤嘴的吸阻是构成卷烟整体吸阻的重要组成部分，其直接影响了卷烟的吸食轻松感，因而成为滤嘴设计的重要指标。二元中空滤嘴是异形滤嘴的一种常见构型，其代表性的外形及相关几何设计参数如图1所示，其中l₁与l₂分别代表近烟丝端醋纤丝束长度及中空段丝束长度，A₁与A₂分别为对应醋纤段截面积和中空段中空部分的截面积。能够直接预测不同中空大小及长度设计下的二元中空滤嘴吸阻及其分布，将有助于辅助设计人员更准确高效地完成特定压降及感官指标的二元中空滤嘴构型设计，有效提升烟支材料设计效率，减少产品迭代所需时间。

目前，关于卷烟物理特性的预测主要以大量的样品实验数据为驱动，构建相应的线性回归模型，例如：一种预测卷烟通风率的方法”(授权公告号CN 109793263 B)通过获取卷烟原辅材料特性及卷烟规格数据，根据水松纸的透气度推导并回归得到卷烟纸通风率和总通风率的计算公式；“一种用于预测纸质滤棒吸阻模型的建立方法”(专利申请号：202011433634.8)通过使用不同定量和不同幅宽的纸质滤棒片，构建吸阻数据库进行线性回归建模。实验结果驱动的线性模型较为依赖实验数据，且无法处理非线性相关的参数建模，因此适用性不强，移植到其他品牌或预测模型时容易出现偏差。也有通过数学分析和推导获取滤嘴吸阻或过滤效率的方法，例如：“一种基于卷烟结构与物性参数的卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻的模型化设计方法”(专利申请号：201610605675.8)以卷烟结构特征参数和卷烟物性特征参数为变量，以卷烟总通风率、滤嘴通风率以及吸阻为目标函数，推导出基于卷烟结构参数与物性参数的卷烟吸阻与总通风率数学模型表达式；“一种通过优化滤嘴通风率和打孔位置调控滤嘴过滤效率的方法”(专利申请号：201811336132.6)推导通风率和打孔位置与滤嘴过滤效率的函数关系，再根据过滤效率的需求，调控通风率及打孔位置。该类方法解释性强，使用便捷，但同样需要根据实际问题，依赖于大量实验结果修正公式的相应参数。

基于物理规律的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟仿真因其可解释性以及高分辨率仿真能力，在产品设计环节提供了快速获取设计规律的研发路径，可提供更为丰富的流场信息。目前基于CFD模拟的相关专利则以构建卷烟燃烧的CFD模型为主，例如“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”(专利申请号：202111509187.4)根据滤嘴形状构建三维模型(逆向工程三维重构)，导入ICEM进行网格划分设定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、粒相物质量分数分布云图，进而通过云图对普通滤嘴、空腔滤嘴和沟槽滤嘴的滤嘴过滤效果进行判断。该类方法也未能直接指导产品设计，仍然依赖于样品的实验及结果分析。

发明内容