一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风

本发明属于加热卷烟产品设计领域，具体涉及一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法。背景技术：1、加热卷烟是以“加热不燃烧”为思路设计“相对低温卷烟”，是新型烟草制品的重要品类之一。加热卷烟具有与传统卷烟相似的消费方式，消费者可以获得与传统卷烟相似的满足感和香气香味体验，因此被广大消费者所接受。同时，加热卷烟一般将烟草原料加热到200-350℃温度范围内产生烟气，抑制了烟草原料高温裂解反应的发生，产生的有害物质大大降低，对人体健康和公共卫生安全的危害性较小，因此其市场份额逐步提升。2、加热卷烟一般由发烟段、冷却段和过滤段三部分构成，具有通风孔的空纸管段是目前加热卷烟普遍采用的一种降温冷却结构，无论国外和国内烟草企业，抑或是各种圆周、长度类型的加热卷烟都有采用这种结构的产品上市。从通风孔进入的空气与发烟段生成的烟气混合，冷却效果直接影响吸食烟气温度和烟雾量，各功能段的阻力特性影响烟支吸阻，都密切关系消费者的感官体验。因此，烟支吸阻和通风率的准确预测对加热卷烟设计十分重要。3、王乐等在《基于线性网络模型的卷烟吸阻及通风特征预测方法》(烟草科技，2017.12)中将卷烟吸阻类比电路中的电阻，提出了一种线性网络模型来预测传统卷烟的吸阻和通风，获得了较好的预测效果。但根据国标gb/t23227-2018《透气度的测定》，很多纸张的流量与压差关系是非线性的，因此该方法的通用性和准确性受到一定限制。另一方面，王乐等的方法中通风计算采用透气度这一实验参数，但加热卷烟往往采用在线打孔方式，难以获得透气度参数，因此也无法使用此方法预测吸阻和通风。4、目前，也有一些文献采用数值模拟的方法计算烟支吸阻或通风率，但数值模拟需要有较强的几何建模、网格划分和模型求解能力，一般由专业技术人员实施，时间成本也较高，难以向卷烟生产和研发人员推广。技术实现思路1、为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风的预测方法，根据流体力学基本原理，解析了烟支吸阻和通风与烟支及通风孔结构参数之间的关系，可用于快速、准确地计算加热卷烟吸阻和通风率。2、本发明采用的技术方案是：3、一种基于非线性网络模型的加热卷烟吸阻和通风率的预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：4、s1、根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型；5、s2、基于流体力学基本原理，构建各部分压降与流量的关系；6、s3、根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式；7、s4、将烟支参数代入表达式获得吸阻和通风率的预测数值。8、进一步的，在步骤s1中，根据加热卷烟结构建立烟支各部分压降或流量的网络模型的具体步骤如下：9、s11、发烟段和各通风孔之间为并联关系，则空气通过发烟段的阻力与通过各小孔的压降相同，因此有：10、p1＝p21＝p22＝…＝p2i＝…＝p2n         (1)11、其中，n为通风孔的总数量，i表示第i个通风孔，p1是空气通过发烟段的压降，p2i为空气通过第i个通风孔的局部压降。12、s12、通过过滤段的空气是由发烟段和各个通风孔空气流量汇聚而来，因此过滤段的空气流量为发烟段和通风孔流量的加和：13、14、其中，q1是发烟段内部空气流量，q2i为流经第i个通风孔的空气流量，q3为过滤段内部空气流量。15、依据国标gb/t 22838.5-2009《卷烟和滤棒物理性能的测定第5部分：卷烟吸阻和滤棒压降》，吸阻是维持输出端流速为17.5ml/s时对输出端施加的负压；因此，过滤段流量为常数：16、q3＝const＝17.5 ml/s              (3)17、进一步的，在步骤s2中，基于流体力学基本原理，建立烟支各部分压降和气体流量间的关系的具体步骤如下：18、s21、发烟段压降和气体流量符合达西定律：19、20、其中，a1是发烟段截面积，l1是发烟段长度，k1是发烟段的渗透率，μ是空气的动力粘度；21、s22、局部压力损失与流体的动能直接相关，根据局部压力损失的表达式，空气流经通风孔的局部压力损失为：22、23、其中，a0i为第i个通风孔的面积，cdi为第i个小孔的流量系数，ρ为空气的密度；24、s23、过滤段压降规律与发烟段类似，压降和气体流量同样符合达西定律：25、26、其中，p3表示空气通过过滤段的压降，a3是过滤段截面积，l3是过滤段长度，k3为过滤段的渗透率。27、进一步的，在步骤s3中，根据构建的方程组求解出烟支吸阻和通风率的表达式的具体步骤如下：28、上述式(1)～(6)构成封闭方程组，对方程组进行求解，获得吸阻和通风率的表达式：29、30、其中，是求解方程所需的换元中间量，31、加热卷烟吸阻为：32、33、将式(7)代入式(8)即可得到加热卷烟吸阻；34、加热卷烟的通风率为：35、36、将式(7)代入式(9)可得加热卷烟通风率；37、发烟段长度和直径、过滤段长度和直径、通风孔直径和个数均为设计参数，通过式(8)和式(9)可以计算任意设计参数下的加热卷烟吸阻和通风率。38、进一步的，在步骤s2中，发烟段和过滤段的渗透率通过实验获得，具体方法为：39、在不同流量下测试空气通过发烟段或滤棒的压降，对获得的流量-压降数据进行线性拟合，得到：40、p＝k′q         (10)41、其中，p为发烟段或滤棒的压降，q为测试流量，k′是线性拟合系数。42、则发烟段或滤棒的渗透率k：43、44、其中，μ为空气的动力粘度，l和a分别为测试段的长度和截面积。一般来说，烟丝配方和滤嘴填丝参数稳定时，可认为发烟段和过滤段的渗透率不变。45、进一步的，在步骤s3中，通风孔的流量系数cdi为经验系数，在0.6-0.7之间，当通风孔数量和面积变化不大时，可认为cdi为固定值，可以通过对已有烟支进行实验测量校验获得cdi，具体步骤如下：46、测试已有烟支的吸阻和通风率，将已有烟支的发烟段长度、直径和渗透率，过滤段长度、直径和渗透率，及通风孔的面积和数量代入式(7)-(9)，调整流量系数cdi，使式(8)和式(9)的计算吸阻及通风率与实验测得的一致，则此时的cdi值即为可用于后续设计计算的流量系数的取值。47、一般来说，一支加热卷烟上各通风孔的大小可以看作是相同的，则方程组(1)-(6)可简化为：48、49、50、51、p1＝p2                        (15)52、q3＝q1+nq2                  (16)53、q3＝const＝17.5 ml/s           (17)54、式中，p2为空气流经通风孔的压降，q2是单个通风孔内的空气流量，a0为单个通风孔的面积，cd是气体流经通风孔的流量系数。55、解封闭方程组(12)-(17)得：56、57、58、其中，59、60、加热卷烟吸阻为：61、62、加热卷烟通风率为：63、64、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：65、1、本发明提供的预测模型得到了吸阻和通风率关于烟支基本结构参数的解析表达式，从而使相关领域生产和研发人员在设计加热卷烟时能够根据结构参数直接计算来对烟支吸阻和通风进行精确预测。66、2、通过本发明的实施，在加热卷烟设计阶段，减少了生产试制或复杂数值模拟的成本投入，帮助生产人员更好地掌握产品性能，提高了研发效率；避免了复杂数值模拟的人力限制，实现了加热卷烟吸阻和通风率的快速精准预测。67、3、本发明解决了原有线性模型不能适用于加热卷烟的问题，并具有比线性模型更高的预测精度。68、4、本发明对加热卷烟的质量判定和产品结构设计都具有指导意义,特别适用于在线打孔方式生产的加热卷烟。69、5、本发明可以根据加热卷烟设计参数，尤其是烟支的长度、直径和通风孔的面积和数量，通过计算直接预测烟支的吸阻和通风率。与现有的线性网络模型相比，更适合于加热卷烟生产前吸阻和通风指标的精准预测，提升了研发人员对加热卷烟的定向设计效率和质量控制水平。