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摘 要:为研究滤棒压降正压检测在正常工作情况下的压力分布,采用Solid Works建模,利用计算流体力学软件建立滤棒压降正压检测的模型,得到滤棒入口端截面的压力分布。并对滤棒入口端截面的压力分布进行了进一步分析。计算结果表明,受突扩管扩散和管内流动的作用,滤棒入口端截面压力分布不均匀,压力极差(最大值与最小值的差值)很大。当入口管道长度小于20mm时,压力的极差随着管道长度的增大而减小,压力最大值与平均值的差值逐渐减小。当管道长度大于20mm后,管道的长短对压力极差影响很小。计算的入口流量与理想流量值较为吻合,最大相对误差不超过11%。为滤棒压降正压检测系统设计提供了理论参考。
关键词:滤棒压降;正压检测;多孔介质模型
卷烟的滤嘴对卷烟烟气中的某些有害物质(如焦油、烟碱等)能起到一定过滤作用,从而减少人体的摄入量。吸阻/压降是卷烟和滤棒物理性能的一项重要指标,滤棒压降在卷烟降焦减害的设计中有着举足轻重的作用[1]。目前国内采用的滤棒压降检测为离线检测,在滤嘴端连接真空源,由小到大调节真空度,当测得气流为17.5ml/s流过烟支并保持恒定时,滤嘴端测得的真空度为滤棒的压降[2]。这种压降测定法有以下缺点:需要全封闭式滤棒测定,实际测定难以实现样品的完全包裹;静态测量,不能适时检测出生产过程中压降不合格的滤棒[3]。而正压型压降检测方法能有效克服上述缺点,为了从理论上研究适用于生产的滤棒压降正压检测,利用计算流体力学技术,通过现场测量、建模和合理的简化模拟正常工作情况下滤棒的压力分布和压降值。
1 理论模型
1.1 模型建立
如图1所示,滤棒压降正压检测是将滤棒置于由检测鼓轮槽和检测用橡胶帽组成的稳定检测结构中,入口端连接稳定的气源和喷嘴,在滤棒入口端接压力传感器,出口端敞口。通过设置入口压力值210KPa和喷嘴直径0.2mm实现稳定气流流量17.5ml/s流向滤棒。当检测用橡胶帽压紧滤棒时,由压力传感器获得的压力值为P1。气流流过滤棒流入大气,滤棒出口压力值为P2=0,所以滤棒的压降△P=P1-P2=P1。
图1 正压检测原理
1.2 基本方程
滤棒中气体的流动采用多孔介质模型。多孔介质的不可压缩流可以通过两个方法来描述:一种是直接求解平均方程或已存在的经验方程式;另一种是空隙尺寸下求解纳维-斯托克斯方程。由于文章重点研究气体流体整体宏观压力的分布情况,不关注扰动量的影响,所以简化模型,采用三维的纳维-斯托克斯对滤棒段气体流动进行数值模拟[4]。又因为根据流量计算得流速1.3 计算域网格划分和边界条件
文中采用非结构化网格划分模型,对喷嘴段和滤棒入口端网格进行加密,采用Realizable k-?着湍流模型,计算压力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法[10]。入口为压力入口;出口为压力出口。计算过程中监视某一区域的平均流速,当监视参数区域稳定且残差达到预定值(10-4)时认为计算收敛。
2 结果与讨论
2.1 滤棒入口端截面压力分布
当入口端管道长度为10mm时,其滤棒入口端截面压力分布云图如图2所示。截面的压力分布极不均匀,最大值为6023Pa在截面的中心,最小值为5487Pa在截面的管壁附近,平均值为5648Pa,极差达到536Pa。由于气流流动为突扩管扩散,且受管内流动作用,致使气流流速达到入口端面时并不均匀,管内流速大于管壁附近流速,造成截面压力分布不均匀,有很大的极差。
2.2 入口端管道长度对压力极差和平均值的影响
根据入口端管道长度为15、20、50mm时滤棒入口端截面压力云图作图3。通过与图2对比可见,随着管道长度的增加,压力的最大值和极差先减小,压力平均值靠近最大值。而当管道长度大于20mm后最大值和极差不再变化。管道的加长使气流通过突扩管扩散作用后在管道内充分混合,管道内气体流速趋于均匀,压力最大值趋于平均值,极差减小;由于管内流动,管壁的阻力作用造成管壁附近流速低于中心区域,所以在管道长度大于20mm后管道长度的变化不再影响最大值和极差。
图3 管道长度与滤棒入口端截面压力极差的关系
2.3 计算结果准确性分析
为了检验文章提出的计算方法的可靠性,将管道长度为10、15、20mm时得到的滤棒入口端气体流量与理想入口流量17.5ml/s比较,如图4所示。可见,理论计算的气体流量与理想入口流量值是比较吻合的,最大误差为11%。因此,该计算方法是可靠的,可用于对滤棒压降正压检测系统的研究,其数值模拟结果也可以用于对正压检测系统结构和尺寸的设计依据。
图4 计算流量与理想流量的比较
3 结束语
根据正压检测的检测原理,采用计算流体力学软件模拟,计算分析可见由于突扩管扩散和管内流动的作用,滤棒入口端截面压力分布不均匀,最大最小值相差很大,易造成压力传感器失真。而压力的极差随着滤棒入口管道的长度的增大而减小,且压力最大值与平均值的差值逐渐减小,当管道长度大于20mm后,管道的长短对压力极差影响很小。对计算结果分析可知,计算的入口流量与理想流量值较为吻合,最大相对误差不超过11%。该计算结果合理的解释了正压检测的工作原理,为滤棒压降正压检测系统的结构设计提供了一种新的可行的方法。
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作者简介:余俊龙(1988-),在读硕士研究生,研究方向:主要从事滤棒质量在线检测系统的研究和开发。