Numerical Simulation of the Burning Process in a King-Size Cigarette Based on Experimentally Derived Reaction Kinetics

Es wurde ein umfassendes zweidimensionales (2D) mathematisches Modell zur Simulation des Verbrennungsprozesses in einer King-Size-Zigarette vorgeschlagen. Die Eigenschaften dieses Modells umfassten: 1) die Verwendung von kinetischen Modellen für die Verdampfung des Wassers, die Pyrolyse des Tabaks und die Oxidation der Kohle, 2) die Anwendung mathematischer Beziehungen zwischen den Freisetzungsmengen bestimmter Produkte (z.B. “Teer” und CO) und verschiedenen Reaktionsvariablen (z.B. Temperaturen und Sauerstoffkonzentrationen), 3) die Einführung von Masse-, Wärme- und Impulstransport, 4) die Berücksichtigung von Filtrationseffekten des Zigarettenfilters in Bezug auf “Teer”. Diese Eigenschaften wurden in einem System gekoppelter Gleichungen ausgedrückt, die numerisch mit FLUENT gelöst werden können. Mithilfe des Modells konnten Informationen zur Dichte der Kohle, dem Temperaturfeld, dem Strömungsgeschwindigkeitsfeld, den Dichtefeldern von “Teer” und CO und der Filtrationseffizienz ermittelt werden. Die Validierung des Modells erfolgte durch einen Vergleich der Prognosen mit den experimentellen Daten zur Zugzahl, den Temperaturen an spezifischen Punkten, der Filtrationseffizienz und den Ausbeuten an “Teer” und CO bei unterschiedlichen Zugintensitäten. Die berechneten Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Versuchsdaten.

Die prognostizierte Zugzahl lag bei 7,3 – diejenige im Experiment bei 6,8. Der normalisierte mittlere quadratische Fehler (NRMSE) zwischen den experimentellen und prognostizierten Temperaturen an spezifischen Punkten betrug < 18%. Die prognostizierte Filtrationseffizienz für “Teer” lag bei 46,1%, die im Versuch bestimmte Filtrationseffizienz für Nikotin lag bei 44,5%. Die maximale relative Abweichung der Ausbeuten an “Teer” und CO bei unterschiedlichen Zugintensitäten betrug jeweils 8,9% und 10,6%.