卷烟滤嘴中烟气流动以及颗粒有害成分过滤截留的CFD模拟研究

摘要

卷烟滤嘴可以过滤掉烟气中的多种有害物质，降低卷烟对抽吸者的健康危害，因此提高卷烟滤嘴的性能显得极具研究价值。目前对于卷烟滤嘴的研究主要是依靠实验手段，这样不仅投入巨大而且一些结果无法通过实验获得，而通过CFD模拟手段不仅可以大大降低成本还能获得实验无法获得的一些结果和参数。
　　本文基于多孔介质理论以及体积平均的方法构建整只滤嘴尺寸下的物理模型，通过计算得到整只滤嘴过滤介质过滤烟气中颗粒物的算法表达式。根据质量守恒和动量守恒原理，建立了纤维形状为Y型的醋纤滤嘴内烟气的流动以及滤嘴截留烟气中颗粒有害成分的计算流体力学模型。采用UDF(User Defined Function)程序来描述卷烟单口抽吸((2秒内)）烟气速度的变化以及烟气中颗粒物在滤嘴纤维过滤介质内的各种过滤机制，并以源项的形式添加进Fluent默认方程进行求解计算。模型考虑了滤嘴惯性阻力对烟气流动的影响，在较高速度条件下使得模拟结果更加准确。运用商业软件Fluent6.3对卷烟单口抽吸过程中滤嘴内烟气的流动以及颗粒的截留进行模拟分析。
　　模拟得到了卷烟滤嘴内烟气速度，压力以及烟碱粒子体积分数分布云图。为了验证模型的有效性，从三个方面（烟气速度，滤嘴孔隙率和滤嘴厚度）将模拟结果与文献报道的实验结果和理论预测结果进行了对比。对比结果显示:烟碱粒子过滤效率的模拟结果与实验结果吻合较好;在单口抽吸的开始阶段和结束阶段，模拟结果比文献报道的理论模型预测结果更加符合实际情况。
　　运用上述建立的模型对空腔滤嘴进行相应的模拟研究，得到了单口抽吸过程中不同时刻空腔滤嘴内烟气速度，压力以及烟碱粒子体积分数分布的模拟结果。计算得到单口抽吸空腔滤嘴的烟碱粒子过滤效率，并与普通滤嘴进行对比。结果显示，空腔滤嘴的烟碱粒子过滤效率值要比普通滤嘴低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 卷烟烟气主要有害成分以及降低烟气有害成分的途径

1．2 卷烟滤嘴简介

1．2．1 普通滤嘴

1．2．2 特殊滤嘴

1．3 滤嘴降焦减害技术研究概况

1．4 计算流体力学(CFD)概况

1．4．1 计算流体力学(CFD)简介

1．4．2 模拟计算中的离散方法

1．5 卷烟滤嘴数值模拟概况

1．6 本课题研究意义及主要研究内容、目标

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容和目标

第2章 纤维过滤介质内流动及颗粒过滤理论

2．1 滤嘴纤维介质内烟气流动理论

2．1．1 滤嘴纤维介质内压力损失与速度关系研究进展

2．1．2 滤嘴纤维介质内压力损失与速度关系的经验模型

2．2 烟气粒相有害成分的过滤机理

第3章 模型的建立

3．1 模型基本假设

3．2 多孔介质理论与体积平均理论

3．2．1 多孔介质概念

3．2．2 表征体元的概念

3．2．3 体积平均的概念

3．3 多相流模型的选择

3．4 基本守恒方程

3．4．1 质量守恒方程

3．4．2 动量守恒方程

第4章 普通醋纤滤嘴中烟气流动以及颗粒(烟碱)过滤的CFD模拟

4．1 滤嘴几何模型及网格划分

4．2 控制方程

4．2．1 动量守恒方程

4．2．2 质量守恒方程

4．3 边界条件

4．4 结果与讨论

4．4．1 流场分布

4．4．2 仿真模型的验证

第5章 空腔醋纤滤嘴中烟气流动以及烟碱粒子过滤的CFD模拟

5．1 滤嘴几何模型及网格划分

5．2 结果与讨论

5．2．1 流场分布

结论

展望

参考文献

攻读学位期间所发表的论文

致谢