濾棒壓降正壓檢測壓力場分析

摘 要：為研究濾棒壓降正壓檢測在正常工作情況下的壓力分布，采用Solid Works建模，利用計算流體力學軟件建立濾棒壓降正壓檢測的模型，得到濾棒入口端截面的壓力分布。并對濾棒入口端截面的壓力分布進行了進一步分析。計算結果表明，受突擴管擴散和管內流動的作用，濾棒入口端截面壓力分布不均勻，壓力極差（最大值與最小值的差值）很大。當入口管道長度小于20mm時，壓力的極差隨著管道長度的增大而減小，壓力最大值與平均值的差值逐漸減小。當管道長度大于20mm后，管道的長短對壓力極差影響很小。計算的入口流量與理想流量值較為吻合，最大相對誤差不超過11%。為濾棒壓降正壓檢測系統設計提供了理論參考。

關鍵詞：濾棒壓降；正壓檢測；多孔介質模型

卷煙的濾嘴對卷煙煙氣中的某些有害物質（如焦油、煙堿等）能起到一定過濾作用，從而減少人體的攝入量。吸阻/壓降是卷煙和濾棒物理性能的一項重要指標，濾棒壓降在卷煙降焦減害的設計中有著舉足輕重的作用[1]。目前國內采用的濾棒壓降檢測為離線檢測，在濾嘴端連接真空源，由小到大調節真空度，當測得氣流為17.5ml/s流過煙支并保持恒定時，濾嘴端測得的真空度為濾棒的壓降[2]。這種壓降測定法有以下缺點：需要全封閉式濾棒測定，實際測定難以實現樣品的完全包裹；靜態測量，不能適時檢測出生產過程中壓降不合格的濾棒[3]。而正壓型壓降檢測方法能有效克服上述缺點，為了從理論上研究適用于生產的濾棒壓降正壓檢測，利用計算流體力學技術，通過現場測量、建模和合理的簡化模擬正常工作情況下濾棒的壓力分布和壓降值。

1 理論模型

1.1 模型建立

如圖1所示，濾棒壓降正壓檢測是將濾棒置于由檢測鼓輪槽和檢測用橡膠帽組成的穩定檢測結構中，入口端連接穩定的氣源和噴嘴，在濾棒入口端接壓力傳感器，出口端敞口。通過設置入口壓力值210KPa和噴嘴直徑0.2mm實現穩定氣流流量17.5ml/s流向濾棒。當檢測用橡膠帽壓緊濾棒時，由壓力傳感器獲得的壓力值為P1。氣流流過濾棒流入大氣，濾棒出口壓力值為P2=0，所以濾棒的壓降△P=P1-P2=P1。

圖1 正壓檢測原理

1.2 基本方程

濾棒中氣體的流動采用多孔介質模型。多孔介質的不可壓縮流可以通過兩個方法來描述：一種是直接求解平均方程或已存在的經驗方程式；另一種是空隙尺寸下求解納維-斯托克斯方程。由于文章重點研究氣體流體整體宏觀壓力的分布情況，不關注擾動量的影響，所以簡化模型，采用三維的納維-斯托克斯對濾棒段氣體流動進行數值模擬[4]。又因為根據流量計算得流速1.3 計算域網格劃分和邊界條件

文中采用非結構化網格劃分模型，對噴嘴段和濾棒入口端網格進行加密，采用Realizable k-？著湍流模型，計算壓力和速度的耦合方式采用SIMPLE算法[10]。入口為壓力入口；出口為壓力出口。計算過程中監視某一區域的平均流速，當監視參數區域穩定且殘差達到預定值（10-4）時認為計算收斂。

2 結果與討論

2.1 濾棒入口端截面壓力分布

當入口端管道長度為10mm時，其濾棒入口端截面壓力分布云圖如圖2所示。截面的壓力分布極不均勻，最大值為6023Pa在截面的中心，最小值為5487Pa在截面的管壁附近，平均值為5648Pa，極差達到536Pa。由于氣流流動為突擴管擴散，且受管內流動作用，致使氣流流速達到入口端面時并不均勻，管內流速大于管壁附近流速，造成截面壓力分布不均勻，有很大的極差。

2.2 入口端管道長度對壓力極差和平均值的影響

根據入口端管道長度為15、20、50mm時濾棒入口端截面壓力云圖作圖3。通過與圖2對比可見，隨著管道長度的增加，壓力的最大值和極差先減小，壓力平均值靠近最大值。而當管道長度大于20mm后最大值和極差不再變化。管道的加長使氣流通過突擴管擴散作用后在管道內充分混合，管道內氣體流速趨于均勻，壓力最大值趨于平均值，極差減小；由于管內流動，管壁的阻力作用造成管壁附近流速低于中心區域，所以在管道長度大于20mm后管道長度的變化不再影響最大值和極差。

圖3 管道長度與濾棒入口端截面壓力極差的關系

2.3 計算結果準確性分析

為了檢驗文章提出的計算方法的可靠性，將管道長度為10、15、20mm時得到的濾棒入口端氣體流量與理想入口流量17.5ml/s比較，如圖4所示。可見，理論計算的氣體流量與理想入口流量值是比較吻合的，最大誤差為11%。因此，該計算方法是可靠的，可用于對濾棒壓降正壓檢測系統的研究，其數值模擬結果也可以用于對正壓檢測系統結構和尺寸的設計依據。

圖4 計算流量與理想流量的比較

3 結束語

根據正壓檢測的檢測原理，采用計算流體力學軟件模擬，計算分析可見由于突擴管擴散和管內流動的作用，濾棒入口端截面壓力分布不均勻，最大最小值相差很大，易造成壓力傳感器失真。而壓力的極差隨著濾棒入口管道的長度的增大而減小，且壓力最大值與平均值的差值逐漸減小，當管道長度大于20mm后，管道的長短對壓力極差影響很小。對計算結果分析可知，計算的入口流量與理想流量值較為吻合，最大相對誤差不超過11%。該計算結果合理的解釋了正壓檢測的工作原理，為濾棒壓降正壓檢測系統的結構設計提供了一種新的可行的方法。

參考文獻

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作者簡介：余俊龍（1988-），在讀碩士研究生，研究方向：主要從事濾棒質量在線檢測系統的研究和開發。