普通醋纖香煙濾嘴內溫度及煙堿分布模擬

李珊紅，王埡曼，李彩亭，曾光明，丁倩倩，郭 威

(1.湖南大學 環境科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2. 環境生物與控制教育部重點實驗室(湖南大學)，湖南 長沙 410082)

普通醋纖香煙濾嘴內溫度及煙堿分布模擬

李珊紅1,2*，王埡曼1,2，李彩亭1,2，曾光明1,2，丁倩倩1,2，郭 威1,2

(1.湖南大學 環境科學與工程學院，湖南 長沙 410082；2. 環境生物與控制教育部重點實驗室(湖南大學)，湖南 長沙 410082)

為減少香煙抽吸過程中煙堿對人體健康的危害，在ISO抽吸模式下，采用標準k-ε湍流模型、SIMPLE算法和多孔介質模型對普通醋纖香煙濾嘴內煙氣溫度與煙堿截留規律進行研究.結果表明，抽吸過程中煙氣總焓隨時間逐漸降低；煙堿在軸向上遷移速度快，但隨著向吸食端擴散，煙堿溫度逐漸降低，速度減慢，截留量也不斷減少；徑向上煙堿在熱泳力作用下，布朗無規則運動加劇，煙堿在每一截面上分布較分散，煙堿截留效率降低.普通醋纖香煙濾嘴的煙堿模擬截留效率為30.59%，與相同實驗條件下測得的效率接近.研究結果為濾嘴的優化設計提供理論依據.

醋纖濾嘴；數值模擬；溫度分布；煙堿分布；截留效率

卷煙在抽吸過程中經高溫燃燒、裂解等過程產生的煙氣，包括煙堿、一氧化碳、氮氧化物、氨、氫氰酸、酚類等有害成分，其中煙堿占卷煙煙氣總生物堿量的95 %以上[1-4].煙堿對人體中樞神經有強烈刺激和麻痹作用，大量攝入會令人暈眩、嘔吐甚至中毒死亡.抽吸一支煙，人體通?？晌?.2～ 2.5 mg煙堿[5]，因此去除香煙煙氣中的煙堿對人體健康有重要意義.通常用能過濾吸收煙草煙氣中多種有害成分的醋酸纖維制作卷煙濾嘴[6].目前汪秋安等[7]采用固相微萃取法測定了卷煙主流煙氣中的游離煙堿.曹建華[5]、王進等[8]研究了醋酸纖維濾嘴對香煙主流煙氣中煙堿的去除效果.李艷平等[9]通過實驗考察了卷煙濾嘴內煙堿的空間分布及過濾效率.上述工作大多需進行大量的實驗，而實驗研究常受到各種條件的限制，計算機模擬可降低人力、物力消耗，并準確、形象地再現濾嘴內的煙堿分布[10-12].本研究在對普通醋纖濾嘴內煙堿分布進行模擬研究的基礎上[10]，進一步研究濾嘴內部煙氣溫度變化及其對截留煙堿量的影響,分析截留煙堿的效果.

1 幾何模型及網格劃分

建立普通醋纖濾嘴(3.0Y32000)的幾何模型，其長為28 mm, 圓周長為24.5 mm，網格采用六面體劃分，并對邊界層進行加密.經網格無關性驗證，選用150×100(濾嘴圓周×軸向)網格進行模擬，其總結點數達到270 276，網格數達到260 000.濾嘴幾何模型及網格圖如圖1所示，其中，Z=28 mm為過濾嘴與煙絲相連的煙絲端，Z=0為吸食端.煙氣從煙絲端流向吸食端，煙堿在濾嘴內部被截留.

2 數學模型

假定濾嘴為孔隙率一致、孔徑均勻的多孔介質，不考慮焦油的沉積及除煙堿外的其他組分的揮發.模擬采用標準k-ε雙方程湍流模型，非穩態3D分離隱式求解器，SIMPLE算法，標準壁面函數處理近壁面區域.煙氣與煙堿流動視為定常流，其中煙堿看作連續相，并考慮到煙堿與煙氣之間的相互作用，如熱泳擴散，在歐拉模型下進行模擬.煙堿和煙氣作為互相貫穿連續的多相流動，占據的空間以體積分數(αq)表示，且煙堿和煙氣相各自滿足質量、動量和能量守恒定律[13-14].煙氣的體積分數方程如式(1)所示.

(1)

式中：αq是第q相的體積分數.質量守恒方程如式(2)所示.

(a)幾何模型及網格三維圖

(b)濾嘴斷面圖

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Hq是q相的焓, J/kg; qq是熱通量, W/m2;Qpq是p相與q相間的熱交換, W/m2; Hpq與Hqp分別是p相與q相間的相間焓, J/kg.相間的能量轉移(Qpq)假設為溫度差的函數：

(7)

(8)

式中: hpq是p相與q相間的傳熱系數, W/(m2·K);傳熱系數與p相Nusselt數Nup有關，kq是q相的導熱系數, W/(m·K)[15-16].

3 邊界條件

實驗測試表明, 抽吸香煙時，通過濾嘴的煙氣為一種氣溶膠，含有氣、粒兩相，煙堿存在于粒相，煙氣中粒子數約1011個/230 mL，平均粒徑0.1～0.4 μm，90%的粒子粒徑50 nm～1.0 μm，粒徑呈正態分布, 中位粒徑0.254 μm.因粒徑較小，跟隨性好，類似于氣體分子運動[17].本研究中濾嘴視為孔隙率為0.77的均勻多孔介質[18].濾嘴內部醋酸纖維素纖維傳熱系數為0.050 W/(m·K)[19].濾嘴近煙絲端采用速度入口，速度大小隨時間發生變化，通過自定義函數UDF(User Defined Function)加載.煙氣進口溫度設定為373 K[20].濾嘴近吸食端采用壓力出口，大小為-1 100 Pa，濾嘴壁厚0.08 mm.

4 結果與分析

4.1 抽吸完畢軸向上煙堿的溫度分布

抽吸完畢(即t=2.0 s時)，煙堿沿軸向中心軸線上的溫度分布如圖2所示.由圖可知，抽吸完畢時，煙堿溫度沿軸向上逐漸下降，在近煙絲端煙堿的溫度最高，煙堿在濾嘴內部由煙絲端向吸食端擴散，與醋酸纖維表面接觸被吸附截留并與其傳熱，溫度降低，在近吸食端溫度降至最低，且接近室溫.

Z/m

4.2 不同時刻濾嘴軸向上煙氣的總焓分布

在2 s的抽吸過程中，觀察濾嘴內煙氣在不同時刻(0.4 s,0.8 s,1.2 s,1.6 s,2.0 s)的總焓分布情況.如圖3所示，煙氣進入濾嘴后，總焓的分布效果與溫度大致相同，呈現出逐漸降低的趨勢.在前0.4 s時，煙氣剛剛進入濾嘴，傳熱與擴散效果較弱，總焓量變化不明顯.0.4 s后，煙氣逐漸進入濾嘴，在軸向方向，煙氣由煙絲端向吸食端擴散，經傳熱溫度不斷降低，總焓量隨之下降.1.6 s后到抽吸結束，總焓量較低且變化不大.

Z/m

4.3 煙堿分布

4.3.1 不同時刻濾嘴X=0截面內的煙堿分布

在2 s的抽吸時間內，模擬普通醋纖濾嘴對煙堿的截留，獲取不同時刻(t=0.4 s,0.8 s,1.2 s,1.6 s)濾嘴內的煙堿分布,如圖4所示.由圖可知，0.4 s內，煙氣剛剛進入濾嘴，煙堿量較少；隨著煙氣持續進入濾嘴向吸食端擴散，煙堿被截留，濾嘴內的煙堿量少許增加；1.2 s后，由于煙氣入口速度降低，向吸食端擴散較慢，煙堿繼續被截留，煙堿量由煙絲端向吸食端逐漸減少.

t=0.4 s

t=0.8 s

t=1.2 s

t=1.6 s

4.3.2 濾嘴煙堿體積分數的三維分布

為直觀地顯示煙堿在濾嘴中體積分數的分布情況，選取抽吸時間t=1.6 s及2.0 s時，觀察濾嘴內3個不同截面(Z=0.007 m, 0.014 m, 0.021 m)的煙堿分布情況，如圖5所示.由圖可知，煙堿在3個不同截面內的體積分布規律基本相近，在每個截面沿徑向方向分布較為均勻.由于中心區域的速度相對較大，從濾嘴中心流過的煙氣多于外周，但煙氣進入濾嘴時溫度較高，煙堿比較活躍，在熱泳力作用下，布朗無規則運動加劇，使每一截面上煙堿分布較分散.

t=1.6 s

t=2.0 s

4.3.3 抽吸完畢軸向上煙堿的體積分數分布

抽吸完畢(即t=2.0 s時)，煙堿沿軸向中心軸線上的體積分數分布如圖6所示.由圖可知，由于煙氣進入濾嘴時溫度較高，煙堿在濾嘴內部比較活躍，遷移速度快，使煙堿的體積分數沿中心軸線首先變化不明顯，但隨著煙氣由煙絲端向吸食端擴散，煙堿溫度逐漸降低，速度減慢，煙堿與醋酸纖維表面接觸而被吸附截留，使得煙堿沿中心軸線的截留量不斷降低，吸食端煙堿量低于煙絲端煙堿量.

Z/m

4.3.4 抽吸完畢徑向上煙堿的體積分數分布

抽吸完畢(t=2.0 s時)，濾嘴中心面(即Z=0.014 m)徑向上煙堿的體積分數分布如圖7所示.由圖可知，由過濾斷面的中心處至壁面處，煙堿的體積分數大致呈下降趨勢.中心處通過的煙氣量較多，抽吸結束煙堿在此分布也較多.但由于煙堿受到熱泳力的作用，在濾嘴內做布朗無規則運動，使得煙堿在濾嘴內隨機分布，其體積分數在徑向上變化不大，在近壁面處，煙堿的體積分數下降較多，這與圖5中的不同抽吸時刻，沿濾嘴長度方向不同截面(Z=0.007 m, 0.014 m, 0.021 m)的體積分數分布規律基本一致.

Y/m

4.4 煙堿的截留效率

通過監視濾嘴入口及出口斷面得到煙堿的平均體積分數，經計算可得模擬濾嘴煙堿的過濾效率達到30.59%.而實驗條件與模擬幾何模型及邊界設置相近時，ISO抽吸模式下普通濾嘴截留煙堿量和主流煙氣中煙堿量實驗結果分別為0.75 mg/cig和1.17 mg/cig，相對于煙堿總釋放量1.92 mg/cig，實驗測得的煙堿過濾效率為39.06 %.實驗與模擬結果的相對誤差為21.6 %.產生誤差是由于實驗中煙氣成份較復雜，煙氣中焦油可與煙堿粒子黏附形成更大的顆粒，并在濾嘴中不斷沉積形成煙塵過濾初層，使濾嘴內部結構更利于截留超細的煙堿粒子[21]，但模擬過程中假定濾嘴孔隙率均勻不變，未考慮經黏附等作用形成的新過濾層；同時煙氣進入濾嘴內溫度較高，煙堿在濾嘴內部比較活躍，運動劇烈，遷移速度快，實驗測得通過濾嘴的煙氣90%粒子粒徑為50 nm～1.0 μm，粒徑呈正態分布，粒子在熱泳力作用下做布朗運動，粒徑對它的影響較大，但本研究中只考慮了對中位徑0.254 μm的煙堿粒子的模擬，因此濾嘴截留煙堿效率的模擬值較低.

5 結 論

本文對抽吸過程中濾嘴內煙氣的溫度及濾嘴截留煙堿的規律進行了研究，并探討了溫度對濾嘴截留煙堿的影響.結果表明，抽吸過程中，煙氣總焓隨時間逐漸降低；煙堿在軸向上由于入口溫度較高而遷移速度快，隨著向吸食端擴散，煙堿溫度逐漸降低，速度減慢，截留量不斷降低；徑向上煙堿在熱泳力作用下，布朗無規則運動加劇，煙堿在每一截面上分布較分散，在壁面處減少，不利于截留煙堿.模擬的煙堿截留效率為30.59%，采用模擬的方法研究濾嘴內煙堿截留規律對濾嘴的優化設計具有理論指導意義.

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Simulation of Nicotine and Temperature Distribution in Acetate Fiber Cigarette Filter Tip

LI Shan-hong1,2?, WANG Ya-man1,2, LI Cai-ting1,2, ZENG Guang-ming1,2, DING Qian-qian1,2, GUO Wei1,2

(1. College of Environmental Science and Engineering，Hunan Univ，Changsha, Hunan 410082，China; 2. Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control (Hunan Univ)， Ministry of Education， Changsha, Hunan 410082，China)

In order to reduce the harm of the nicotine to human body during the suction, the distribution of nicotine interception and flue gas temperature in the cellulose acetate cigarette filter under ISO suction mode was simulated via the standard k-ε turbulence model, SIMPLE algorithm and porous medium model. The results showed that the total enthalpy of air decreased gradually with the time, and the nicotine spread quickly and decreased gradually along the axial direction, because nicotine temperature gradually decreased and nicotine slowly moved down when spreading to the smoking end. Moreover, the nicotine also distributed discretely, which reduced the nicotine intercept efficiency because of the fierce Brownian motion under thermophoretic force along the radial direction. Meanwhile, it is found that the simulation intercept efficiency of cellulose acetate cigarette filter was 30.59%, which was close to the experimental efficiency under the same conditions, and the results can provide theoretical basis for the optimal design of the filter.

acetate cigarette filter tip; numerical simulation; temperature distribution; nicotine distribution; intercept efficiency

1674-2974(2016)12-0134-06

2015-12-15 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51108168), National Natural Science Foundation of China(51108168)；中國博士后科學基金資助項目(2011M501271)；湖南省科技廳項目(2012RS4001)；湖南省自然科學基金資助項目(13JJ3044)；國家留學基金委資助項目；湖南大學青年教師成長計劃資助項目 作者簡介：李珊紅(1975-)，女，湖南汨羅人，湖南大學助理教授，博士 ?通訊聯系人，E-mail:lsh-17208@hnu.edu.cn

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