基于DPIV的卷煙燃燒區(qū)速度場(chǎng)特性試驗(yàn)研究

張彬 寧敏 徐迎波等

摘要以超細(xì)碳酸氫鈉粉末作為示蹤粒子，并使用基于互相關(guān)算法的DPIV系統(tǒng)對(duì)不同抽吸容量下卷煙燃燒區(qū)的速度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果表明，隨著抽吸容量的增大，卷煙燃燒區(qū)速度場(chǎng)變活躍；與未點(diǎn)燃卷煙相比，點(diǎn)燃卷煙燃燒產(chǎn)生的煙氣對(duì)燃燒區(qū)速度場(chǎng)有較大影響，煙氣的熱浮力明顯改變了卷煙在抽吸時(shí)速度場(chǎng)的變化趨勢(shì)；隨著抽吸容量的增大，卷煙燃燒區(qū)內(nèi)煙氣對(duì)速度場(chǎng)的影響相對(duì)減弱。

關(guān)鍵詞卷煙燃燒；抽吸容量；數(shù)字粒子圖像測(cè)速；速度場(chǎng)測(cè)量

中圖分類號(hào)S572；TS47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）28-282-03

Experimental Study on Velocity Characteristics of Cigarette Combustion Area Based on DPIV

ZHANG Bin1，2， NING Min1， XU Yingbo1， LI Quanwei2* et al

（1.Anhui Key Laboratory of Tobacco Chemistry， China Tobacco Anhui Industrial Co.Ltd， Hefei， Anhui 230088；2.School of Chemical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， Jiangsu 210094）

AbstractThe velocity characteristics of cigarette combustion area under different suction capacities was studied by using the Digital Particle Image Velocimetry（DPIV） system which is based on crosscorrelation algorithmand uses superfine sodium bicarbonate particles as tracer particles. The results showed that with the increasing of suction capacity， the velocity field becomes more active. The flue gas has a great impact on the velocity of combustion field and obviously changes the velocity field variation trend.And with the increasing of suction capacity， the effects of flue gas on velocity field are relatively weaker.

Key wordsCigarette combustion； Suction capacities； DPIV； Velocity field measurement

由于抽吸參量會(huì)影響卷煙的燃燒特性進(jìn)而影響卷煙的感官品質(zhì)，近年來(lái)，抽吸參量（抽吸容量、抽吸持續(xù)時(shí)間、抽吸頻率）對(duì)煙氣有害成分的影響成為國(guó)際煙草界研究熱點(diǎn)之一[1]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)卷煙吸燃的相關(guān)研究主要集中在通過(guò)燃燒測(cè)試儀器對(duì)抽吸條件下卷煙的燃燒物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，例如，劉民昌等采用熱電偶對(duì)卷煙燃燒錐的溫度進(jìn)行了測(cè)量，并通過(guò)差值方法分析了抽吸過(guò)程中卷煙內(nèi)的溫度分布[2]；鄭賽晶等利用紅外熱像儀對(duì)不同類型香煙的燃燒溫度進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)不同抽吸參量條件下卷煙燃燒溫度與主流煙氣成分進(jìn)行了對(duì)比分析[1，3]；許萍等對(duì)國(guó)內(nèi)不同產(chǎn)煙區(qū)烤煙及津巴布韋烤煙的燃燒速度進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比分析[4]。盡管圍繞卷煙燃燒特性的研究還有很多，但是關(guān)于抽吸條件下卷煙燃燒區(qū)速度場(chǎng)特性的研究鮮有報(bào)道。與此同時(shí)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，20世紀(jì)90年代由Willert等提出的一種使用CCD相機(jī)的粒子圖像測(cè)速技術(shù)[5]，即數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)DPIV（Digital Particle Image Velocimetry），已在流場(chǎng)顯示和測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，例如田文棟等將DPIV應(yīng)用于對(duì)河工模型流場(chǎng)的測(cè)量并取得了很好的效果[6]；田曉東等成功將其應(yīng)用于潮汐流動(dòng)表面流速進(jìn)行了測(cè)量[7]；楊華勇等用其測(cè)量了微流體內(nèi)部流場(chǎng)[8]；王喜世等利用DPIV技術(shù)成功地測(cè)量了細(xì)水霧霧場(chǎng)的速度[9]，等等。DPIV技術(shù)在各不同的領(lǐng)域中均取得了較好的應(yīng)用。為此，筆者擬采用DPIV技術(shù)對(duì)卷煙燃燒區(qū)的速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，探討不同抽吸條件下卷煙燃燒區(qū)的速度場(chǎng)分布特性。

1試驗(yàn)方案

1.1DPIV系統(tǒng)

DPIV系統(tǒng)主要由示蹤粒子發(fā)生散布裝置、片光源系統(tǒng)及圖像采集處理系統(tǒng)三大部分組成，其布局如圖1所示。該研究所用的示蹤粒子為超細(xì)碳酸氫鈉粉末，粒徑為10～40 μm，測(cè)試前預(yù)先將粉末放置于測(cè)試腔體，并通過(guò)氣流將其揚(yáng)起，待測(cè)試空間中流場(chǎng)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，較大粒徑的顆粒自由沉降到腔體底面，而較小粒徑的顆粒則能長(zhǎng)時(shí)間懸浮于腔體內(nèi)，且具有良好的跟隨性，從而發(fā)揮示蹤作用；系統(tǒng)中的片光源是南京來(lái)創(chuàng)激光科技有限公司的片光源激光器，波長(zhǎng)532 nm，最大功率2 W；高速攝像機(jī)為REDLAKE公司的MotionPro X4，拍攝窗口的大小為7.5 cm×7.5 cm，拍攝像素為512×512，圖像采集頻率為100 Hz，采用自行開(kāi)發(fā)的基于互相關(guān)算法的圖像處理軟件進(jìn)行數(shù)字圖像分析。

1.2測(cè)試腔體與抽吸裝置

測(cè)試腔體尺寸為30 cm×20 cm×25 cm，除底部外均為壁厚0.5 cm的超白玻璃，腔體底部為40 cm×30 cm×5 cm的泡沫板。

采用容量150 ml的注射器作為抽吸的負(fù)壓源，通過(guò)橡膠管與三通閥連接，三通閥另外兩端分別串接閥門后連接卷煙和外部空氣，通過(guò)控制這2個(gè)閥門的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)抽吸和排氣功能。

1.4圖像處理方法及區(qū)域速度劃分

基于互相關(guān)算法對(duì)兩幅相鄰圖像進(jìn)行相關(guān)度分析，設(shè)定相關(guān)度查詢窗口像素尺寸為16×16，查詢窗口移動(dòng)步長(zhǎng)為2像素，并采用最小二乘法對(duì)相關(guān)度的極值進(jìn)行亞像素?cái)M合。正式試驗(yàn)開(kāi)始前，分別采用人工合成的平動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的2幅圖像對(duì)前述算法進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明，該研究所采用的基于互相關(guān)的DPIV算法所測(cè)得的速度場(chǎng)與理論速度場(chǎng)符合良好，即該DPIV算法能夠較好地對(duì)平移及旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)進(jìn)行分析，可用其對(duì)卷煙燃燒區(qū)速度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

此外，由于卷煙燃燒區(qū)速度較為微弱，其周圍還存在一些小的擾動(dòng)，因而為有效表征抽吸參量對(duì)卷煙燃燒區(qū)流場(chǎng)的影響，該研究將燃燒區(qū)以卷煙軸線為基準(zhǔn)劃分為左右兩部分，并對(duì)各區(qū)域內(nèi)的速度矢量分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均以表征該區(qū)域的速度變化。

2結(jié)果與分析

2.1卷煙燃燒區(qū)的速度場(chǎng)重建

卷煙在密閉空間中的高速

攝像截圖如圖2所示。按照前述的查詢窗口尺寸，采用互相關(guān)算法對(duì)相鄰的2幅圖像的相關(guān)性進(jìn)行分析，可得到圖像中各位置在X和Y方向的像素偏差，而在拍攝參數(shù)一定的情況下，像素間距以及圖像間的時(shí)間間隔均是確定的，由此便可繪制出整幅圖像的速度矢量圖。圖3（a）為抽吸容量為45 ml時(shí)卷煙燃燒區(qū)的典型速度場(chǎng)全局分布圖，可以看出，在遠(yuǎn)離卷煙的區(qū)域，速度場(chǎng)分布在抽吸狀態(tài)下無(wú)明顯的規(guī)律，即其并未受到抽吸的顯著影響；而越靠近卷煙的燃燒區(qū)，速度場(chǎng)的變化趨勢(shì)則越顯著。此外，卷煙周圍水平方向的速度受抽吸的影響較弱，而豎直方向的速度則受抽吸的影響較強(qiáng)，且從觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，在視場(chǎng)中心高度以上，豎直方向的速度受抽吸的影響已非常微弱。為此，為便于統(tǒng)一衡量卷煙周邊速度場(chǎng)的變化規(guī)律，將速度場(chǎng)的分析區(qū)域限定為視場(chǎng)中心高度以下的部分，典型的結(jié)果如圖3（b）所示。

2.2抽吸容量對(duì)卷煙燃燒區(qū)速度的影響

按照前述的速度場(chǎng)重建方法，分別對(duì)非點(diǎn)燃和點(diǎn)燃狀態(tài)下卷煙在不同抽吸容量下燃燒區(qū)的速度場(chǎng)進(jìn)行了重建，并按照“1.4”節(jié)中的區(qū)域劃分方法，對(duì)各抽吸容量下各區(qū)域水平和豎直方向的平均速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，隨著抽吸容量的增大，未點(diǎn)燃卷煙在水平方向（即垂直卷煙軸線方向）的整體速度變化趨勢(shì)并不明顯，但在豎直方向（即卷煙軸線方向）的速度均隨抽吸容量的增大而顯著增大。由此可見(jiàn)，在抽吸狀態(tài)下，外部空氣主要沿卷煙軸線方向進(jìn)入燃燒區(qū)，且在相同抽吸時(shí)間內(nèi)隨著抽吸量的增大，即隨抽吸速率加快，卷煙燃燒區(qū)周邊沿軸線方向進(jìn)入的空氣顯著增多。

從圖4（b）可以看出，點(diǎn)燃狀態(tài)下卷煙在垂直軸線方向的速度同樣無(wú)顯著的變化趨勢(shì)，而在軸線方向的速度上呈現(xiàn)出了先向上后向下的趨勢(shì)。這主要是由于，在受限的測(cè)試空間內(nèi)，卷煙軸線方向的氣流受抽吸時(shí)產(chǎn)生的煙氣邊界效應(yīng)與煙氣自身渦流的綜合影響。在抽吸容量較小時(shí)，煙氣的熱浮力對(duì)于卷煙燃燒區(qū)的速度場(chǎng)起主導(dǎo)作用，因此在熱浮力的作用下，燃燒區(qū)整體呈現(xiàn)出速度豎直向上的趨勢(shì)；而隨著抽吸

容量的增大，燃燒區(qū)速度場(chǎng)向下的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)，即抽吸速

3結(jié)論

采用DPIV方法對(duì)抽吸狀態(tài)下卷煙燃燒區(qū)的速度特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

DPIV方法可以較為有效地對(duì)

卷煙燃燒區(qū)的二維速度場(chǎng)分布進(jìn)行非接觸式的準(zhǔn)確測(cè)量。

在抽吸條件下，未點(diǎn)燃卷煙燃燒區(qū)的速度變得活躍，其在豎直方向的速度隨抽吸容量的增大而增大。

相比于未點(diǎn)燃卷煙，點(diǎn)燃卷煙燃燒產(chǎn)生的熱煙氣對(duì)燃燒區(qū)豎直方向的速度有顯著的影響，煙氣的熱浮力明顯改變了卷煙在抽吸時(shí)速度場(chǎng)的變化趨勢(shì)，且熱煙氣對(duì)速度場(chǎng)的影響隨抽吸容量的增大而相對(duì)減弱。

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