數(shù)值模擬在煙草領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望

李博宇，范 興，喬俊峰，王 永，農(nóng)永紅，資文華

云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，昆明市呈貢區(qū)聚賢街768號 650500

數(shù)值模擬是一種基于物理方法和數(shù)學(xué)方法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的技術(shù)，主要借助計算機(jī)工程軟件對研究對象進(jìn)行幾何建模、網(wǎng)格劃分以及模型數(shù)值求解，并將結(jié)果以圖像的形式顯示，研究過程中理論虛擬實驗與實際實驗研究互相影響。該技術(shù)為研究和解決復(fù)雜的工程問題、物理問題以及各類自然界問題提供了一種模型化、可視化方法，并因具有經(jīng)濟(jì)、直觀、科學(xué)等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于國防［1-3］、航空航天［4-5］、能源工程［6-8］、食品加工［9-11］等領(lǐng)域。因此，如何利用數(shù)值模擬技術(shù)提高資源配置和創(chuàng)造能力已成為建設(shè)現(xiàn)代智能工廠亟待解決的難點之一［12-14］。在煙草領(lǐng)域中，單獨(dú)依靠實驗研究以解決工程問題存在成本高、效率低等問題，而利用數(shù)值模擬技術(shù)研究復(fù)雜的變化過程，有利于探明宏觀控制參數(shù)與微觀變化機(jī)理之間的聯(lián)系，進(jìn)而為制定高效的實驗方案、深入研究各物理場變化、提升工藝水平、優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)等提供科學(xué)理論支持。為此，總結(jié)了煙草研究領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法，重點對煙草農(nóng)業(yè)、煙草工業(yè)和卷煙燃燒過程中的應(yīng)用實例進(jìn)行了分析，以期利用數(shù)值模擬技術(shù)更好地解決煙草領(lǐng)域復(fù)雜的工程技術(shù)問題，促進(jìn)煙草產(chǎn)業(yè)向高效、智能和清潔方向轉(zhuǎn)變。

1 煙草領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法

目前，煙草領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法有離散元法（Distinct Element Method，DEM）、有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）和計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD），常用的軟件有EDEM（英國DEM Solutions公司）、ANSYS（美國ANSYS公司）、FLUENT（美國ANSYS公司）、OpenFOAM（美國OpenCFD公司）以及COMSOL Multiphysics（瑞典COMSOL公司）等。數(shù)值模擬軟件的主要功能是建模、網(wǎng)格劃分、編程、求解，根據(jù)不同的研究模擬對象和求解方法，需選擇不同軟件以實現(xiàn)數(shù)值模擬過程。圖1為數(shù)值模擬的基本研究框架［15］，表1為煙草領(lǐng)域中常用數(shù)值模擬軟件對比。

圖1 數(shù)值模擬的基本研究框架Fig.1 Basic research framework of numerical simulation

1.1 DEM

DEM是通過分析離散單元間的接觸關(guān)系構(gòu)建物理力學(xué)模型，并依據(jù)牛頓第二定律建立力、加速度、速度和位移之間的聯(lián)系，從而對不連續(xù)介質(zhì)問題進(jìn)行數(shù)值模擬計算。DEM分為硬球模型［16］和軟球模型［17-18］。硬球模型是假設(shè)顆粒表面承受的應(yīng)力較小，顆粒之間會發(fā)生瞬時碰撞但無明顯的塑性形變，該模型適用于粉末輸送等稀疏快速的顆粒流；軟球模型是假設(shè)顆粒碰撞時間較長，允許多個顆粒發(fā)生碰撞，可在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，適用范圍廣。由于煙絲具有柔軟、易纏繞、變形等特征，為準(zhǔn)確構(gòu)建表征煙絲的數(shù)學(xué)模型，朱立平等［19-20］基于DEM軟球模型提出了一種絲狀顆粒傳熱數(shù)學(xué)模型，之后根據(jù)干燥機(jī)理構(gòu)建了基于離散單元法的絲狀顆粒傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，并利用該模型對滾筒橫向截面中絲狀物料溫度和含水率的變化過程進(jìn)行數(shù)值計算，通過實驗驗證數(shù)學(xué)模型的有效性，以解決絲狀物料在滾筒內(nèi)干燥不均勻等問題。為解決包裝機(jī)組煙庫中煙支在流動過程中產(chǎn)生變形和堵塞等問題，湯達(dá)偉等［21］利用離散元仿真軟件EDEM構(gòu)建了煙支流動規(guī)律數(shù)學(xué)模型，通過分析不同包裝速度下煙支在煙庫中的速度變化及受力分布規(guī)律，為優(yōu)化煙庫結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1.2 FEM

FEM常用于求解偏微分方程邊值問題的近似解，是將復(fù)雜的幾何區(qū)域離散為簡單的幾何形狀單元，各單元內(nèi)的材料性質(zhì)和控制方程采用單元節(jié)點的未知量表達(dá)，再通過單元集成、施加載荷和約束條件的處理得到方程組，求解該方程組即可得到該問題的近似解［22］，具體流程見圖2。利用CAD等輔助設(shè)計軟件構(gòu)建研究對象的物理模型，再根據(jù)物理模型的大小及形狀選擇合適的數(shù)量及類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格形狀越復(fù)雜、數(shù)量越多，求解精度越高，但復(fù)雜的材料設(shè)置及邊界條件定義也會影響求解精度。姬江濤等［23］基于熱力學(xué)理論，采用多物理場有限元軟件COMSOL Multiphysics對煙葉回潮機(jī)箱體內(nèi)溫度場、流場進(jìn)行模擬計算，并根據(jù)模擬和實驗結(jié)果優(yōu)化回潮機(jī)結(jié)構(gòu)，使其流場分布均勻，提高了煙葉回潮質(zhì)量。管鋒［24］基于氣固耦合兩相流原理，利用有限元軟件ANSYS模擬高溫管式膨脹設(shè)備內(nèi)溫度場、速度場和壓力場的變化，可直觀顯示膨脹設(shè)備處理煙絲過程，并針對多種高溫管式膨脹設(shè)備提出相應(yīng)的幾何模型，通過分析比較得到較為理想的結(jié)構(gòu)方案，為優(yōu)化膨脹設(shè)備提供了思路。

圖2 有限元法模擬流程圖Fig.2 Flow chart of simulation based on finite element method

1.3 CFD

CFD由計算機(jī)科學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)值分析等多個學(xué)科交叉組成，主要采用電子計算機(jī)和各種離散化的數(shù)學(xué)方法對各類流體問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。在國內(nèi)外煙草工程研究中，通常采用CFD模擬技術(shù)對生產(chǎn)車間的環(huán)境參數(shù)、工藝指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，或?qū)ιa(chǎn)設(shè)備和輸送管道等進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)［25］。王棟梁等［26］基于CFD技術(shù)利用FLUENT軟件對加香加料筒體內(nèi)的流場分布進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)布風(fēng)室內(nèi)氣流匯合后產(chǎn)生的漩渦和筒體內(nèi)的不良?xì)馀菔窃斐刹硷L(fēng)不均勻的主要原因，通過加裝隔板分割布風(fēng)室并對各布風(fēng)室獨(dú)立送風(fēng)，有效解決了加香加料過程中布風(fēng)不均勻的問題。張二強(qiáng)等［27］利用開源計算流體力學(xué)軟件OpenFOAM結(jié)合固相顆粒的DEM大規(guī)模離散模擬方法，對CTD流態(tài)化干燥設(shè)備進(jìn)行全三維的氣相流場和顆粒停留時間分布的數(shù)值模擬研究，揭示了煙絲在流態(tài)化設(shè)備中的流動特性，并通過實驗驗證了添加弧形導(dǎo)流板可以解決塔內(nèi)煙絲顆粒分布不均勻的問題。

1.4 數(shù)值模擬方法特性對比

DEM、FEM、CFD這3種數(shù)值模擬方法特性對比見表2。為解決煙草領(lǐng)域中復(fù)雜的工程技術(shù)問題，需要根據(jù)各種方法的優(yōu)勢耦合多種數(shù)值方法。例如，利用CFD求解相關(guān)問題時，需要結(jié)合FEM等數(shù)值方法離散求解區(qū)域。FEM-CFD、CFD-DEM-FEM等耦合數(shù)值方法可以為單體與總體之間相互作用建立聯(lián)系［28-33］。

表2 煙草領(lǐng)域中常用數(shù)值模擬方法比較Tab.2 Numerical simulation methods commonly used in the field of tobacco

2 數(shù)值模擬在煙草農(nóng)業(yè)研究中的應(yīng)用

數(shù)值模擬技術(shù)在煙草農(nóng)業(yè)研究中的應(yīng)用主要是基于實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，探究煙草作物的生長規(guī)律、模擬煙葉烘烤調(diào)制等過程。在實驗基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型描述煙草作物生長曲線，并利用計算機(jī)求解分析煙草作物生長的動態(tài)規(guī)律，實現(xiàn)煙草的精準(zhǔn)可控生長；模擬煙葉烘烤調(diào)制過程并分析煙葉烤房內(nèi)部溫度場、濕度場及氣流的分布規(guī)律，為優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)和提升煙葉烘烤工藝技術(shù)水平提供理論依據(jù)。

2.1 構(gòu)建煙草作物生長模型

利用數(shù)值模擬技術(shù)構(gòu)建煙草作物生長模型有利于分析作物生長規(guī)律、追蹤作物生長情況，從而促進(jìn)煙草農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化和數(shù)字化發(fā)展，這也是煙草農(nóng)業(yè)實現(xiàn)精準(zhǔn)種植和管理的重要課題之一。為此，Khamis等［34］采用14種非線性生長模型對煙葉的生長數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果表明Weibull、Richards模型的擬合性能明顯優(yōu)于其他生長模型，更符合煙葉的生長規(guī)律。招啟柏等［35］基于大田實驗中烤煙的葉位、葉長和葉寬等動態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建葉片的生長動態(tài)模型，較好地模擬了烤煙葉片隨生長時間、活動積溫變化的動態(tài)特征，具有良好的生物學(xué)意義。王蕓蕓等［36］采用模板技術(shù)構(gòu)建了煙草植株的三維模型，該模型具有較高的真實感，為實現(xiàn)煙草生長過程的數(shù)字化和可視化仿真提供了理論支持。孫延國等［37］采用田間對比實驗研究西南煙區(qū)4個主栽品種葉片發(fā)生及生長規(guī)律，并分別建立Richards生長動態(tài)模型，對預(yù)測煙草葉片動態(tài)生長規(guī)律、實現(xiàn)煙葉精準(zhǔn)調(diào)控具有重要意義。

2.2 模擬煙葉烘烤調(diào)制過程

隨著我國烤煙生產(chǎn)的規(guī)?；l(fā)展，密集烤房已成為烘烤煙葉的主要設(shè)施。對烘烤過程進(jìn)行數(shù)值模擬并探究烤房內(nèi)部環(huán)境物理量的變化規(guī)律，可為優(yōu)化烤房結(jié)構(gòu)和調(diào)控相關(guān)參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。許威等［38］在煙葉烘烤實驗中基于薄層膠體毛細(xì)管多孔干燥動力學(xué)理論，構(gòu)建煙葉烘烤相對失水速率數(shù)學(xué)模型，為煙葉烘烤中干燥速度的計算和過程精準(zhǔn)控制提供了技術(shù)支撐。劉兆宇等［39］以標(biāo)準(zhǔn)密集烤房為對象構(gòu)建CFD模型，運(yùn)用FLUENT軟件對烘烤干筋期密集烤房內(nèi)部的溫度場、濕度場及氣流組織進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)值模擬，分析密集烘烤典型送風(fēng)參數(shù)下溫度場、濕度場、氣流組織的分布規(guī)律及進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與煙葉間隙風(fēng)速的關(guān)系，得到了最適宜的進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速。李研等［40］構(gòu)建密集烤房物理幾何模型和烤房內(nèi)氣體流動數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用FLUENT軟件對熱風(fēng)回風(fēng)口不同開度下的烤房內(nèi)氣流分布進(jìn)行數(shù)值模擬，探明了熱風(fēng)回風(fēng)口調(diào)控對烤房內(nèi)風(fēng)場的影響規(guī)律，可為提高氣流上升式密集烤房排濕能力、優(yōu)化排濕裝置設(shè)計和調(diào)控提供參考。Bai等［41］采用多孔介質(zhì)、物質(zhì)遷移、κ-ε湍流等理論和離散相模型，構(gòu)建新型散裝烤房的三維瞬態(tài)CFD模型，有助于優(yōu)化煙葉烘烤工藝。

3 數(shù)值模擬在煙草工業(yè)研究中的應(yīng)用

數(shù)值模擬在煙草工業(yè)中的應(yīng)用主要有煙草加工過程研究和設(shè)備優(yōu)化，涉及葉絲回潮、膨脹、干燥以及煙草氣力輸送等加工過程。通過對比數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計數(shù)據(jù)，可以解決設(shè)備能耗大、效率低和不環(huán)保等問題。此外，數(shù)值模擬還可應(yīng)用于新型煙草制品加熱元件的模擬與優(yōu)化研究，通過對關(guān)鍵加熱元件進(jìn)行數(shù)值模擬，有助于從宏觀至微觀尺度上研究元件的加熱傳熱機(jī)制，為改進(jìn)加熱元件及產(chǎn)品提供科學(xué)的理論支持。

3.1 模擬煙草加工過程及優(yōu)化煙草加工設(shè)備

3.1.1 葉絲回潮

模擬葉絲回潮過程并優(yōu)化回潮設(shè)備結(jié)構(gòu)，可為后續(xù)烘絲環(huán)節(jié)改善煙絲填充性能和感官質(zhì)量提供必要的基礎(chǔ)條件。針對隧道式葉絲回潮機(jī)在生產(chǎn)過程中存在的排氣罩吸風(fēng)速度快、風(fēng)量大等問題，趙永祥等［42］對罩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并基于流體力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法構(gòu)建罩體內(nèi)部流場和葉絲顆粒運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，研究葉絲顆粒運(yùn)動軌跡與罩體形狀、尺寸及內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，結(jié)果表明設(shè)備優(yōu)化后減少了排氣罩內(nèi)葉絲沉積現(xiàn)象，提高了葉絲利用率和產(chǎn)品質(zhì)量。為解決膨脹煙絲經(jīng)回潮筒回潮后出現(xiàn)濕團(tuán)煙絲等問題，徐敏等［43］使用FLUENT軟件對回潮筒噴嘴布局、加水量和筒內(nèi)煙絲運(yùn)動情況進(jìn)行數(shù)值仿真，依據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)回潮筒內(nèi)噴嘴數(shù)量及布局，優(yōu)化加水量及加水比例，為提升膨脹煙絲加工工藝水平提供支持。

3.1.2 葉絲膨脹

葉絲膨脹過程中通常存在造碎率高、煙絲損耗大等問題，而利用數(shù)值模擬可優(yōu)化膨脹設(shè)備結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而提高煙絲物理特性和利用率。沈選舉［44］基于相似理論構(gòu)建高溫管道式膨脹設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合反復(fù)試算分析得到高溫氣體和煙絲混合氣體兩種介質(zhì)的物性參數(shù)，并采用ANSYS軟件對高溫管道式膨脹系統(tǒng)的內(nèi)流場進(jìn)行模擬，分析得出內(nèi)流場的溫度、速度、壓力及氣固兩相分布，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行比較得到高溫管道式膨脹設(shè)備的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。管鋒等［45］利用有限元軟件ANSYS結(jié)合“小滑移”模型對高溫管道式膨脹設(shè)備進(jìn)行模擬，得出氣固兩相流溫度分布，進(jìn)而優(yōu)化了高溫管道式膨脹設(shè)備結(jié)構(gòu)。韓金民［46］利用FLUENT軟件分別構(gòu)建S形、Z形干冰煙絲膨脹塔的三維模型，闡明了塔內(nèi)煙絲速度場和運(yùn)動規(guī)律。

3.1.3 葉絲干燥

葉絲干燥方式主要有薄板式滾筒干燥和氣流式干燥，兩種干燥方式均涉及復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，采用數(shù)值模擬技術(shù)可為研究葉絲干燥過程的微觀機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。Pakowski等［47］建立連續(xù)相和離散相的能量守恒、質(zhì)量守恒和動量守恒方程，經(jīng)數(shù)值分析得出氣流干燥后煙絲含水率和溫度分布。江威等［48］采用CFD方法構(gòu)建葉絲干燥過程的數(shù)學(xué)模型，并分別對滾筒干燥和氣流干燥過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，該模型誤差小，可為干燥設(shè)備的優(yōu)化和創(chuàng)新提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。秦國鑫［49］采用非線性擬合的方法從14種薄層干燥模型中優(yōu)選出Midilli-Kunck薄層干燥模型并用于表征滾筒內(nèi)煙絲干燥過程，再利用微元分析方法將煙絲運(yùn)動模型和干燥動力學(xué)模型耦合，模擬滾筒內(nèi)煙絲顆粒干燥過程，該研究對于優(yōu)化滾筒烘絲過程和提升烘絲設(shè)備過程控制能力具有一定指導(dǎo)意義。Geng等［50］為研究干燥過程中柔性絲狀顆粒動力學(xué)特性，引入細(xì)長體鏈模型對柔性絲狀顆粒在滾筒橫截面內(nèi)的混合動力學(xué)進(jìn)行二維數(shù)值計算，并分析了旋轉(zhuǎn)速度、飛行高度和填充度對混合動力學(xué)特性的影響。Gu等［51］基于柔性絲狀顆粒在工業(yè)級滾筒干燥機(jī)上的干燥特性，構(gòu)建滾筒干燥機(jī)內(nèi)絲狀顆粒溫度和含水率的數(shù)學(xué)計算模型，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)一致，證明該模型具有較好的工業(yè)應(yīng)用價值。Huang等［52］基于平衡含水率數(shù)學(xué)模型計算傳質(zhì)驅(qū)動力并構(gòu)建傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，研究了間歇式旋轉(zhuǎn)干燥機(jī)的煙絲干燥過程，通過權(quán)重因子求解多目標(biāo)非線性優(yōu)化問題，確定了模型的傳熱傳質(zhì)系數(shù)。該模型優(yōu)于傳統(tǒng)模型和逆向工程模型，為探明煙絲干燥過程中的傳熱傳質(zhì)機(jī)理、預(yù)測溫度和濕度分布規(guī)律提供了理論基礎(chǔ)。

為準(zhǔn)確預(yù)測干燥設(shè)備內(nèi)煙絲停留時間和運(yùn)動規(guī)律，鄧國棟等［53］分析了煙絲在滾筒烘絲機(jī)內(nèi)的運(yùn)動過程并構(gòu)建煙絲運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，對模型進(jìn)行數(shù)值求解得到煙絲滯留時間與滾筒半徑、轉(zhuǎn)速和傾角之間的關(guān)聯(lián)性以及某一時刻煙絲在滾筒中所處的空間位置，模擬結(jié)果與實驗驗證結(jié)果一致性較好。周凱敏等［54］基于滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲運(yùn)動過程構(gòu)建煙絲滯留時間模型，并分析了理論模型隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，驗證實驗結(jié)果證明，該模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測滾筒烘絲機(jī)內(nèi)煙絲滯留時間。由表3可見，構(gòu)建干燥設(shè)備中煙絲停留時間的預(yù)測模型已有大量研究。其中，F(xiàn)riedman-Marshall模型［55］和Zhu Wenkui模型［56］未考慮煙絲含水率變化對停留時間的影響，而Renaud等［57］的研究表明煙絲含水率會影響停留時間。為此，秦國鑫等［58］基于Friedmam-Marshall模型引入含水率進(jìn)行修正，構(gòu)建用于預(yù)測滾筒干燥機(jī)內(nèi)煙絲停留時間的數(shù)學(xué)模型，并對所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證。李朋等［59］通過改變煙絲流量、滾筒轉(zhuǎn)速、傾角、風(fēng)速和煙絲含水率，研究了冷態(tài)滾筒設(shè)備內(nèi)煙絲停留時間，并構(gòu)建了更適用于實驗用冷態(tài)滾筒設(shè)備的煙絲停留時間預(yù)測模型。

表3 干燥設(shè)備內(nèi)煙絲停留時間預(yù)測模型Tab.3 Prediction model for residence time of tobacco in drying cylinder

3.1.4 煙絲氣力輸送

卷煙加工過程中，氣力輸送設(shè)備主要用于煙絲輸送和除雜，通過數(shù)值模擬分析煙絲運(yùn)動規(guī)律，可為氣力輸送設(shè)備優(yōu)化和過程參數(shù)調(diào)控提供科學(xué)理論基礎(chǔ)。吳磊等［60］基于離散相模型的粒子跟蹤多相流計算流體力學(xué)，模擬圓錐管和Z形風(fēng)道內(nèi)煙絲氣力輸送特性，并考慮黏性、重力、粒子直徑分布、粒子質(zhì)量分布等影響因素，得到煙絲在兩種風(fēng)道內(nèi)的流動情況和氣流速度變化。針對煙絲氣力輸送中煙絲造碎等問題，周暉等［61］采用ANSYS有限元軟件對氣力輸送煙絲狀況進(jìn)行數(shù)值分析，通過改變管道輸送風(fēng)速，得到輸送管道中不同氣流的流動情況和壓力分布，從而優(yōu)化輸送速度、減少煙絲造碎量。唐向陽等［62］利用CFD-FEM耦合方法模擬煙葉異物剔除器流場的速度和壓力分布，并根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化壓風(fēng)口和托風(fēng)口的寬度及風(fēng)速大小，實現(xiàn)了檢測區(qū)域煙葉平穩(wěn)運(yùn)動和異物準(zhǔn)確剔除。

3.2 模擬與優(yōu)化新型煙草制品加熱元件

加熱不燃燒卷煙是一種新型煙草制品，可以使煙草在加熱但不燃燒狀態(tài)下釋放含有香味成分的煙氣，從而減少煙氣中的有害物質(zhì)［63］。加熱元件的溫度分布直接影響著加熱不燃燒卷煙的加熱效果，對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究可為加熱元件的研發(fā)和質(zhì)量提升提供理論依據(jù)。為此，Jiang等［64］基于多孔介質(zhì)理論研究了新型卷煙的傳熱過程，采用Darcy-Forchheimer模型，并考慮黏性阻力和慣性力對壓力梯度的影響，設(shè)計了一種加熱不燃燒煙草制品，通過對氣體在煙絲介質(zhì)中的流動過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到新型卷煙的溫度場分布。為解決加熱卷煙加熱元件溫度波動大等問題，時春鑫等［65］根據(jù)加熱元件基礎(chǔ)物理參數(shù)及控制參數(shù)，利用COMSOL有限元軟件構(gòu)建加熱元件三維模型，對其溫度場分布特性進(jìn)行分析，獲得加熱元件不同工作狀態(tài)下的溫度變化規(guī)律，驗證實驗結(jié)果表明模擬結(jié)果具有可靠性。魏信建等［66-67］采用COMSOL有限元軟件對不同結(jié)構(gòu)、尺寸和材質(zhì)加熱元件的溫度變化規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)選擇電熱單元工作電壓；對發(fā)熱元件溫度場和渦流密度的計算結(jié)果表明，430不銹鋼發(fā)熱元件的溫度分布均勻性較35鋼差，但其熱轉(zhuǎn)化效率更優(yōu)，且溫度及升溫速率均隨頻率的增加而增加。孫志偉等［68］構(gòu)建片狀電加熱體電熱數(shù)學(xué)模型，利用該模型分析不同電壓下兩種加熱體的溫度分布，實驗驗證結(jié)果表明電熱模擬可用于電加熱型煙草制品（eHTP）加熱體溫度分布研究，為加熱體的設(shè)計研發(fā)提供參考。王樂等［69］通過比較化學(xué)反應(yīng)控制與外部傳質(zhì)控制兩種釋放機(jī)理，構(gòu)建電加熱卷煙煙芯關(guān)鍵成分傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，可用于分析電加熱卷煙煙芯關(guān)鍵成分的逐口剩余量、釋放量和釋放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律。

4 數(shù)值模擬在卷煙燃燒研究中的應(yīng)用

利用數(shù)值模擬研究卷煙燃燒過程，有助于分析燃燒過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)，研究卷煙參數(shù)變化后煙氣組分分布規(guī)律，為卷煙產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)提供參考。李巧靈等［70］在回顧了國內(nèi)外卷煙燃燒模型的相關(guān)研究后，提出應(yīng)在深入研究卷煙燃燒過程和機(jī)理的基礎(chǔ)上建立全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確的卷煙燃燒數(shù)學(xué)模型，為工藝改進(jìn)提供依據(jù)。

4.1 構(gòu)建煙草熱解動力學(xué)模型

燃燒卷煙內(nèi)部可分為燃燒放熱區(qū)和熱解蒸餾吸熱區(qū)，除一氧化碳和二氧化碳外大部分煙氣組分來自熱解蒸餾區(qū)，通過數(shù)值模擬構(gòu)建模型預(yù)測卷煙燃燒熱解過程，有利于深入研究煙草熱解機(jī)理。Wójtowicz等［71］利用熱重分析儀（TGA）獲得低熱速率數(shù)據(jù)，結(jié)合傅立葉變換紅外光譜分析（TG-FTIR）對煙草熱解動力學(xué)進(jìn)行分析，并基于一級平行反應(yīng)的假設(shè)以及活化能的高斯分布理論構(gòu)建生物質(zhì)熱解動力學(xué)模型［公式（1）］。利用該模型在高升溫速率條件下進(jìn)行熱解模擬，預(yù)測的產(chǎn)物產(chǎn)率與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。為了構(gòu)建更加理想的煙草熱解模型，未來還應(yīng)考慮質(zhì)量、能量和動量傳遞以及卷煙紙的滲透率等因素。

式中：v*和v分別為煙氣成分的總生成量和實時生成量，%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；R為氣體常數(shù)，J/（mol·K）；σ為高斯分布寬度，J/mol；T為溫度，K；A為指前因子，s-1；E為活化能，J/mol；E0為平均活化能，J/mol。

4.2 模擬卷煙燃燒過程

卷煙燃燒過程極其復(fù)雜，利用數(shù)值模擬分析燃燒卷煙內(nèi)部溫度場、氣體流場、物質(zhì)濃度場的分布和擴(kuò)散規(guī)律，可提高對卷煙燃燒過程特性的微觀理解。Tang等［72］采用逆向工程構(gòu)建卷煙燃燒的三維模型，利用CFD方法研究卷煙燃燒過程，基于壓力-速度耦合的半隱式方法對卷煙進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過達(dá)西定律驗證模型的正確性，結(jié)果表明該模型能夠預(yù)測卷煙煙氣速度、溫度和壓力在不同時間的分布。Li等［73］構(gòu)建二維數(shù)學(xué)模型來模擬卷煙的燃燒過程，利用FLUENT軟件對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解，得到焦炭的密度場、溫度場、流速場，焦油和一氧化碳的密度場以及過濾效率等信息，驗證實驗結(jié)果表明該模型能夠預(yù)測不同卷煙紙和濾嘴參數(shù)下的卷煙燃燒過程。余其昌等［74］采用CFD中的SIMPLEC等算法模擬卷煙煙氣中一氧化碳的動態(tài)流動過程并建立數(shù)學(xué)模型，獲得的吸入端煙氣流出速度分布結(jié)果與粒子圖像測速法（PIV）所得結(jié)果基本一致，該模型可用于研究煙氣的軸向流動與徑向擴(kuò)散情況及其影響因素。

為探明卷煙燃吸過程中氣流的運(yùn)動規(guī)律，孫志偉等［75］采用CFD技術(shù)構(gòu)建溝槽濾嘴內(nèi)的煙氣流動模型，模擬標(biāo)準(zhǔn)抽吸模式（ISO）平均速度下煙氣在溝槽濾嘴內(nèi)的流動，獲得溝槽濾嘴內(nèi)速度和壓力的分布情況以及從溝槽流出的煙氣占比，明確了濾嘴溝槽形狀、數(shù)量和長度對于溝槽流出煙氣占比的影響。Chen等［76］構(gòu)建卷煙陰燃狀態(tài)下總顆粒物（TPM）生成、流動和沉積的二維數(shù)學(xué)模型，考慮粒子動力學(xué)模型對對流擴(kuò)散和碰撞的影響，分析卷煙燃燒中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和傳熱傳質(zhì)過程，揭示了顆粒物生成、流動和冷凝機(jī)理。顏聰?shù)龋?7］基于質(zhì)量、能量和動量傳遞方程，綜合水分蒸發(fā)反應(yīng)、煙草熱解和氧化反應(yīng)，利用FLUENT軟件構(gòu)建卷煙陰燃過程的二維數(shù)學(xué)模型，分析不同時刻溫度分布以及煙氣中氧氣、一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣的濃度分布。

此外，針對未點燃卷煙不同卷煙材料參數(shù)對卷煙通風(fēng)率、吸阻以及卷煙內(nèi)部氣體速率分布的影響，吳釗等［78］結(jié)合卷煙材料阻力特性測試結(jié)果，采用CFD算法對8種不同材料參數(shù)的試樣卷煙進(jìn)行數(shù)值模擬，得到較為準(zhǔn)確的卷煙通風(fēng)率和吸阻的模擬值。為研究不同抽吸狀態(tài)下卷煙的動態(tài)通風(fēng)特征，王樂等［79］基于卷煙在非燃燒狀態(tài)下的壓降與總通風(fēng)率數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)的全煙支氣體流動三維數(shù)學(xué)模型，模擬恒速抽吸與標(biāo)準(zhǔn)抽吸兩種狀態(tài)下卷煙內(nèi)部氣流壓降和速率的三維分布以及軸向分布，其結(jié)果可為卷煙燃燒過程中氣流運(yùn)動規(guī)律、燃燒過程調(diào)控機(jī)理研究以及卷煙參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。

5 問題與展望

盡管數(shù)值模擬在解決煙草領(lǐng)域中一些復(fù)雜工程技術(shù)問題時已得到較廣泛應(yīng)用，但由于不同模擬方法存在自身局限性，其模擬結(jié)果可靠程度往往取決于模型構(gòu)建準(zhǔn)確度、算法設(shè)計與方法技巧，因此在實際應(yīng)用過程中仍面臨許多亟待解決的問題與挑戰(zhàn)。

5.1 自主設(shè)計開發(fā)的程序算法匱乏

目前國內(nèi)廣泛使用的數(shù)值模擬工程軟件均依賴國外產(chǎn)品，科研人員在學(xué)習(xí)使用國外工程軟件的同時，也需要具備自主開發(fā)程序的能力，努力攻克當(dāng)前亟需解決的技術(shù)難題。在基礎(chǔ)工程軟件國產(chǎn)化替代的大背景下，華中科技大學(xué)自主研發(fā)的顆粒兩相流數(shù)值模擬軟件PFlows，可對10億以上的網(wǎng)格和百萬以上的顆粒系統(tǒng)進(jìn)行計算。面對獨(dú)立算法匱乏的現(xiàn)狀，科研人員需深入理解數(shù)值方法的基礎(chǔ)理論，利用OpenFOAM等開源數(shù)值模擬工程軟件開發(fā)更適合解決實際問題的新算法，如宇波等［80］提出的MSIMPLEER/ECBC算法及IDEAL/VOSET方法可解決傳熱學(xué)數(shù)值問題，提高了數(shù)值傳熱計算效率。隨著“云計算”技術(shù)的不斷成熟，計算速度迅速提升且成本下降，應(yīng)大力發(fā)展自主研發(fā)的工程軟件并開發(fā)新的數(shù)值算法，彌補(bǔ)國內(nèi)工程軟件和獨(dú)立算法匱乏的短板，以提高自主開發(fā)模型的預(yù)測能力并解決現(xiàn)實中復(fù)雜的工程技術(shù)問題。

5.2 數(shù)值模擬算法研究與應(yīng)用欠深入

當(dāng)前煙草領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)解決實際工程技術(shù)問題時，對各算法自身基本理論的研究較少，尤其在細(xì)小運(yùn)動數(shù)學(xué)模型的問題描述等方面。朱立平等［19-20］將煙絲數(shù)學(xué)模型由球形顆粒優(yōu)化為由若干桿狀顆粒和鉸約束連接而成的細(xì)長鏈?zhǔn)侥Ｐ?，使得該絲狀顆粒明顯區(qū)別于球形顆粒，避免過度簡化模型，有效降低了計算誤差。深入研究數(shù)值模擬算法是未來實際應(yīng)用中的一個重要方向，可將各數(shù)值方法進(jìn)行耦合，充分利用各算法的優(yōu)勢優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，拓展模型的適用范圍和解析精度；還可在修正物理參數(shù)時，對存疑參數(shù)可能帶來的影響進(jìn)行評估，有針對性地開展極限測試和分析［81］，而不必刻意追求某些參數(shù)的精確性。

5.3 數(shù)值模擬與各科學(xué)方法耦合研究有待加強(qiáng)

單一使用數(shù)值模擬技術(shù)無法實現(xiàn)對復(fù)雜過程的智能預(yù)測，且難以構(gòu)建有效解決錯綜復(fù)雜問題的數(shù)學(xué)模型，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等科學(xué)方法能夠處理復(fù)雜變化過程中的各種問題。Wang等［82］基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，探究氣候、土壤和栽培措施等參數(shù)變化與煙葉產(chǎn)量和綜合質(zhì)量的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，構(gòu)建以產(chǎn)量和綜合質(zhì)量為目標(biāo)的優(yōu)化評價模型，并設(shè)計一種改進(jìn)遺傳算法（GA）對模型進(jìn)行優(yōu)化，解決了栽培措施的決策問題。王戈等［83］針對卷煙濾嘴的流場特性，利用逆向工程和CT掃描法獲取卷煙濾嘴三維結(jié)構(gòu)點云信息構(gòu)建卷煙濾嘴流體域的數(shù)學(xué)模型，該模型精確度高，可為研究卷煙濾嘴流場特性提供新途徑。因此，未來研究可以將數(shù)值模擬與逆向工程［84-85］、多值邏輯［86-87］、遺傳算法［88-89］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［90-92］等多種科學(xué)方法相結(jié)合構(gòu)建模型，以期快速、精準(zhǔn)地解決復(fù)雜變化過程中的相關(guān)問題，提高模型的智能預(yù)測能力。

6 結(jié)論

數(shù)值模擬作為一種特色明顯、優(yōu)勢突出的高端虛擬制造技術(shù)，在煙草領(lǐng)域已取得較多的研究進(jìn)展，有望突破當(dāng)前傳統(tǒng)煙草領(lǐng)域所面臨的技術(shù)瓶頸，但在程序算法自主設(shè)計開發(fā)、數(shù)值模擬算法研究與應(yīng)用以及數(shù)值模擬與各科學(xué)方法耦合研究等方面還存在問題與挑戰(zhàn)。隨著計算機(jī)軟硬件及各種數(shù)值計算模型的進(jìn)一步優(yōu)化，數(shù)值模擬技術(shù)將更好地服務(wù)于煙草領(lǐng)域，促進(jìn)煙草產(chǎn)業(yè)向高效、智能和清潔的方向變革。