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摘要以超细碳酸氢钠粉末作为示踪粒子，并使用基于互相关算法的DPIV系统对不同抽吸容量下卷烟燃烧区的速度场进行了测量。结果表明，随着抽吸容量的增大，卷烟燃烧区速度场变活跃；与未点燃卷烟相比，点燃卷烟燃烧产生的烟气对燃烧区速度场有较大影响，烟气的热浮力明显改变了卷烟在抽吸时速度场的变化趋势；随着抽吸容量的增大，卷烟燃烧区内烟气对速度场的影响相对减弱。
关键词卷烟燃烧；抽吸容量；数字粒子图像测速；速度场测量
中图分类号S572；TS47文献标识码A文章编号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
由于抽吸参量会影响卷烟的燃烧特性进而影响卷烟的感官品质，近年来，抽吸参量（抽吸容量、抽吸持续时间、抽吸频率）对烟气有害成分的影响成为国际烟草界研究热点之一[1]。目前，国内对卷烟吸燃的相关研究主要集中在通过燃烧测试仪器对抽吸条件下卷烟的燃烧物理参数进行测量，例如，刘民昌等采用热电偶对卷烟燃烧锥的温度进行了测量，并通过差值方法分析了抽吸过程中卷烟内的温度分布[2]；郑赛晶等利用红外热像仪对不同类型香烟的燃烧温度进行了测量，并对不同抽吸参量条件下卷烟燃烧温度与主流烟气成分进行了对比分析[1，3]；许萍等对国内不同产烟区烤烟及津巴布韦烤烟的燃烧速度进行了测试和对比分析[4]。尽管围绕卷烟燃烧特性的研究还有很多，但是关于抽吸条件下卷烟燃烧区速度场特性的研究鲜有报道。与此同时，随着信息技术的飞速发展，20世纪90年代由Willert等提出的一种使用CCD相机的粒子图像测速技术[5]，即数字粒子图像测速技术DPIV（Digital Particle Image Velocimetry），已在流场显示和测量中得到了广泛的应用，例如田文栋等将DPIV应用于对河工模型流场的测量并取得了很好的效果[6]；田晓东等成功将其应用于潮汐流动表面流速进行了测量[7]；杨华勇等用其测量了微流体内部流场[8]；王喜世等利用DPIV技术成功地测量了细水雾雾场的速度[9]，等等。DPIV技术在各不同的领域中均取得了较好的应用。为此，笔者拟采用DPIV技术对卷烟燃烧区的速度场进行测量，探讨不同抽吸条件下卷烟燃烧区的速度场分布特性。
1试验方案
1.1DPIV系统
DPIV系统主要由示踪粒子发生散布装置、片光源系统及图像采集处理系统三大部分组成，其布局如图1所示。该研究所用的示踪粒子为超细碳酸氢钠粉末，粒径为10～40 μm，测试前预先将粉末放置于测试腔体，并通过气流将其扬起，待测试空间中流场达到相对稳定后，较大粒径的颗粒自由沉降到腔体底面，而较小粒径的颗粒则能长时间悬浮于腔体内，且具有良好的跟随性，从而发挥示踪作用；系统中的片光源是南京来创激光科技有限公司的片光源激光器，波长532 nm，最大功率2 W；高速摄像机为REDLAKE公司的MotionPro X4，拍摄窗口的大小为7.5 cm×7.5 cm，拍摄像素为512×512，图像采集频率为100 Hz，采用自行开发的基于互相关算法的图像处理软件进行数字图像分析。
1.2测试腔体与抽吸装置
测试腔体尺寸为30 cm×20 cm×25 cm，除底部外均为壁厚0.5 cm的超白玻璃，腔体底部为40 cm×30 cm×5 cm的泡沫板。 采用容量150 ml的注射器作为抽吸的负压源，通过橡胶管与三通阀连接，三通阀另外两端分别串接阀门后连接卷烟和外部空气，通过控制这2个阀门的开闭实现抽吸和排气功能。
1.4图像处理方法及区域速度划分
基于互相关算法对两幅相邻图像进行相关度分析，设定相关度查询窗口像素尺寸为16×16，查询窗口移动步长为2像素，并采用最小二乘法对相关度的极值进行亚像素拟合。正式试验开始前，分别采用人工合成的平动及旋转的2幅图像对前述算法进行校验，结果表明，该研究所采用的基于互相关的DPIV算法所测得的速度场与理论速度场符合良好，即该DPIV算法能够较好地对平移及旋转流场进行分析，可用其对卷烟燃烧区速度场进行测量。
此外，由于卷烟燃烧区速度较为微弱，其周围还存在一些小的扰动，因而为有效表征抽吸参量对卷烟燃烧区流场的影响，该研究将燃烧区以卷烟轴线为基准划分为左右两部分，并对各区域内的速度矢量分别进行统计平均以表征该区域的速度变化。
2结果与分析
2.1卷烟燃烧区的速度场重建
卷烟在密闭空间中的高速
摄像截图如图2所示。按照前述的查询窗口尺寸，采用互相关算法对相邻的2幅图像的相关性进行分析，可得到图像中各位置在X和Y方向的像素偏差，而在拍摄参数一定的情况下，像素间距以及图像间的时间间隔均是确定的，由此便可绘制出整幅图像的速度矢量图。图3（a）为抽吸容量为45 ml时卷烟燃烧区的典型速度场全局分布图，可以看出，在远离卷烟的区域，速度场分布在抽吸状态下无明显的规律，即其并未受到抽吸的显著影响；而越靠近卷烟的燃烧区，速度场的变化趋势则越显著。此外，卷烟周围水平方向的速度受抽吸的影响较弱，而竖直方向的速度则受抽吸的影响较强，且从观测结果来看，在视场中心高度以上，竖直方向的速度受抽吸的影响已非常微弱。为此，为便于统一衡量卷烟周边速度场的变化规律，将速度场的分析区域限定为视场中心高度以下的部分，典型的结果如图3（b）所示。
2.2抽吸容量对卷烟燃烧区速度的影响
按照前述的速度场重建方法，分别对非点燃和点燃状态下卷烟在不同抽吸容量下燃烧区的速度场进行了重建，并按照“1.4”节中的区域划分方法，对各抽吸容量下各区域水平和竖直方向的平均速度进行了统计分析，结果如图4所示。
从图4（a）可以看出，随着抽吸容量的增大，未点燃卷烟在水平方向（即垂直卷烟轴线方向）的整体速度变化趋势并不明显，但在竖直方向（即卷烟轴线方向）的速度均随抽吸容量的增大而显著增大。由此可见，在抽吸状态下，外部空气主要沿卷烟轴线方向进入燃烧区，且在相同抽吸时间内随着抽吸量的增大，即随抽吸速率加快，卷烟燃烧区周边沿轴线方向进入的空气显著增多。
从图4（b）可以看出，点燃状态下卷烟在垂直轴线方向的速度同样无显著的变化趋势，而在轴线方向的速度上呈现出了先向上后向下的趋势。这主要是由于，在受限的测试空间内，卷烟轴线方向的气流受抽吸时产生的烟气边界效应与烟气自身涡流的综合影响。在抽吸容量较小时，烟气的热浮力对于卷烟燃烧区的速度场起主导作用，因此在热浮力的作用下，燃烧区整体呈现出速度竖直向上的趋势；而随着抽吸
容量的增大，燃烧区速度场向下的趋势逐渐增强，即抽吸速
3结论
采用DPIV方法对抽吸状态下卷烟燃烧区的速度特性进行了试验测试，研究结果发现：
DPIV方法可以较为有效地对
卷烟燃烧区的二维速度场分布进行非接触式的准确测量。
在抽吸条件下，未点燃卷烟燃烧区的速度变得活跃，其在竖直方向的速度随抽吸容量的增大而增大。
相比于未点燃卷烟，点燃卷烟燃烧产生的热烟气对燃烧区竖直方向的速度有显著的影响，烟气的热浮力明显改变了卷烟在抽吸时速度场的变化趋势，且热烟气对速度场的影响随抽吸容量的增大而相对减弱。
参考文献
[1] 郑赛晶，顾文博，张建平，等.抽吸参数对卷烟燃烧温度及主流烟气中某些化学成分的影响[J].中国烟草学报，2007，13（2）：6-16.
[2] 刘民昌，李斌，谢国勇，等.卷烟燃烧锥温度分布的表征方法[J].烟草工艺，2012（12）：9-14.
[3] 郑赛晶，顾文博，张建平，等.利用红外测温技术测定卷烟的燃烧温度[J].烟草科技，2006，228（7）：5-10.
[4] 许萍，王国强，李兴权，等.不同产地烤烟烟叶自由燃烧速度研究[J].烟草科技，2002（12）：3-5.
[5] WILLERT C E，GHARIB M.Digital particle image velocimetry[J].Experiments in fluids，1991，10（4）：181-193.
[6] 田文栋，魏小林，盛宏至.DPIV系统在河工模型试验中的应用研究[J].水动力学研究与进展，2001（6）：209-215.
[7] 田晓东，李玉梁，陈嘉范，等.DPIV技术及其应用于潮汐流动表面流速的测量[J].清华大学学报，1998（1）：103-106.
[8] 杨华勇，谢海波，傅新.微流体机械全流场数字粒子图像测速技术[J].机械工程学报，2001（10）：31-36.
[9] 王喜世，伍小平，廖光煊，等.基于数字粒子图像的细水雾全场速度测量[J].实验力学，2003（1）：6-11.
关键词卷烟燃烧；抽吸容量；数字粒子图像测速；速度场测量
中图分类号S572；TS47文献标识码A文章编号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
由于抽吸参量会影响卷烟的燃烧特性进而影响卷烟的感官品质，近年来，抽吸参量（抽吸容量、抽吸持续时间、抽吸频率）对烟气有害成分的影响成为国际烟草界研究热点之一[1]。目前，国内对卷烟吸燃的相关研究主要集中在通过燃烧测试仪器对抽吸条件下卷烟的燃烧物理参数进行测量，例如，刘民昌等采用热电偶对卷烟燃烧锥的温度进行了测量，并通过差值方法分析了抽吸过程中卷烟内的温度分布[2]；郑赛晶等利用红外热像仪对不同类型香烟的燃烧温度进行了测量，并对不同抽吸参量条件下卷烟燃烧温度与主流烟气成分进行了对比分析[1，3]；许萍等对国内不同产烟区烤烟及津巴布韦烤烟的燃烧速度进行了测试和对比分析[4]。尽管围绕卷烟燃烧特性的研究还有很多，但是关于抽吸条件下卷烟燃烧区速度场特性的研究鲜有报道。与此同时，随着信息技术的飞速发展，20世纪90年代由Willert等提出的一种使用CCD相机的粒子图像测速技术[5]，即数字粒子图像测速技术DPIV（Digital Particle Image Velocimetry），已在流场显示和测量中得到了广泛的应用，例如田文栋等将DPIV应用于对河工模型流场的测量并取得了很好的效果[6]；田晓东等成功将其应用于潮汐流动表面流速进行了测量[7]；杨华勇等用其测量了微流体内部流场[8]；王喜世等利用DPIV技术成功地测量了细水雾雾场的速度[9]，等等。DPIV技术在各不同的领域中均取得了较好的应用。为此，笔者拟采用DPIV技术对卷烟燃烧区的速度场进行测量，探讨不同抽吸条件下卷烟燃烧区的速度场分布特性。
1试验方案
1.1DPIV系统
DPIV系统主要由示踪粒子发生散布装置、片光源系统及图像采集处理系统三大部分组成，其布局如图1所示。该研究所用的示踪粒子为超细碳酸氢钠粉末，粒径为10～40 μm，测试前预先将粉末放置于测试腔体，并通过气流将其扬起，待测试空间中流场达到相对稳定后，较大粒径的颗粒自由沉降到腔体底面，而较小粒径的颗粒则能长时间悬浮于腔体内，且具有良好的跟随性，从而发挥示踪作用；系统中的片光源是南京来创激光科技有限公司的片光源激光器，波长532 nm，最大功率2 W；高速摄像机为REDLAKE公司的MotionPro X4，拍摄窗口的大小为7.5 cm×7.5 cm，拍摄像素为512×512，图像采集频率为100 Hz，采用自行开发的基于互相关算法的图像处理软件进行数字图像分析。
1.2测试腔体与抽吸装置
测试腔体尺寸为30 cm×20 cm×25 cm，除底部外均为壁厚0.5 cm的超白玻璃，腔体底部为40 cm×30 cm×5 cm的泡沫板。 采用容量150 ml的注射器作为抽吸的负压源，通过橡胶管与三通阀连接，三通阀另外两端分别串接阀门后连接卷烟和外部空气，通过控制这2个阀门的开闭实现抽吸和排气功能。
1.4图像处理方法及区域速度划分
基于互相关算法对两幅相邻图像进行相关度分析，设定相关度查询窗口像素尺寸为16×16，查询窗口移动步长为2像素，并采用最小二乘法对相关度的极值进行亚像素拟合。正式试验开始前，分别采用人工合成的平动及旋转的2幅图像对前述算法进行校验，结果表明，该研究所采用的基于互相关的DPIV算法所测得的速度场与理论速度场符合良好，即该DPIV算法能够较好地对平移及旋转流场进行分析，可用其对卷烟燃烧区速度场进行测量。
此外，由于卷烟燃烧区速度较为微弱，其周围还存在一些小的扰动，因而为有效表征抽吸参量对卷烟燃烧区流场的影响，该研究将燃烧区以卷烟轴线为基准划分为左右两部分，并对各区域内的速度矢量分别进行统计平均以表征该区域的速度变化。
2结果与分析
2.1卷烟燃烧区的速度场重建
卷烟在密闭空间中的高速
摄像截图如图2所示。按照前述的查询窗口尺寸，采用互相关算法对相邻的2幅图像的相关性进行分析，可得到图像中各位置在X和Y方向的像素偏差，而在拍摄参数一定的情况下，像素间距以及图像间的时间间隔均是确定的，由此便可绘制出整幅图像的速度矢量图。图3（a）为抽吸容量为45 ml时卷烟燃烧区的典型速度场全局分布图，可以看出，在远离卷烟的区域，速度场分布在抽吸状态下无明显的规律，即其并未受到抽吸的显著影响；而越靠近卷烟的燃烧区，速度场的变化趋势则越显著。此外，卷烟周围水平方向的速度受抽吸的影响较弱，而竖直方向的速度则受抽吸的影响较强，且从观测结果来看，在视场中心高度以上，竖直方向的速度受抽吸的影响已非常微弱。为此，为便于统一衡量卷烟周边速度场的变化规律，将速度场的分析区域限定为视场中心高度以下的部分，典型的结果如图3（b）所示。
2.2抽吸容量对卷烟燃烧区速度的影响
按照前述的速度场重建方法，分别对非点燃和点燃状态下卷烟在不同抽吸容量下燃烧区的速度场进行了重建，并按照“1.4”节中的区域划分方法，对各抽吸容量下各区域水平和竖直方向的平均速度进行了统计分析，结果如图4所示。
从图4（a）可以看出，随着抽吸容量的增大，未点燃卷烟在水平方向（即垂直卷烟轴线方向）的整体速度变化趋势并不明显，但在竖直方向（即卷烟轴线方向）的速度均随抽吸容量的增大而显著增大。由此可见，在抽吸状态下，外部空气主要沿卷烟轴线方向进入燃烧区，且在相同抽吸时间内随着抽吸量的增大，即随抽吸速率加快，卷烟燃烧区周边沿轴线方向进入的空气显著增多。
从图4（b）可以看出，点燃状态下卷烟在垂直轴线方向的速度同样无显著的变化趋势，而在轴线方向的速度上呈现出了先向上后向下的趋势。这主要是由于，在受限的测试空间内，卷烟轴线方向的气流受抽吸时产生的烟气边界效应与烟气自身涡流的综合影响。在抽吸容量较小时，烟气的热浮力对于卷烟燃烧区的速度场起主导作用，因此在热浮力的作用下，燃烧区整体呈现出速度竖直向上的趋势；而随着抽吸
容量的增大，燃烧区速度场向下的趋势逐渐增强，即抽吸速
3结论
采用DPIV方法对抽吸状态下卷烟燃烧区的速度特性进行了试验测试，研究结果发现：
DPIV方法可以较为有效地对
卷烟燃烧区的二维速度场分布进行非接触式的准确测量。
在抽吸条件下，未点燃卷烟燃烧区的速度变得活跃，其在竖直方向的速度随抽吸容量的增大而增大。
相比于未点燃卷烟，点燃卷烟燃烧产生的热烟气对燃烧区竖直方向的速度有显著的影响，烟气的热浮力明显改变了卷烟在抽吸时速度场的变化趋势，且热烟气对速度场的影响随抽吸容量的增大而相对减弱。
参考文献
[1] 郑赛晶，顾文博，张建平，等.抽吸参数对卷烟燃烧温度及主流烟气中某些化学成分的影响[J].中国烟草学报，2007，13（2）：6-16.
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[3] 郑赛晶，顾文博，张建平，等.利用红外测温技术测定卷烟的燃烧温度[J].烟草科技，2006，228（7）：5-10.
[4] 许萍，王国强，李兴权，等.不同产地烤烟烟叶自由燃烧速度研究[J].烟草科技，2002（12）：3-5.
[5] WILLERT C E，GHARIB M.Digital particle image velocimetry[J].Experiments in fluids，1991，10（4）：181-193.
[6] 田文栋，魏小林，盛宏至.DPIV系统在河工模型试验中的应用研究[J].水动力学研究与进展，2001（6）：209-215.
[7] 田晓东，李玉梁，陈嘉范，等.DPIV技术及其应用于潮汐流动表面流速的测量[J].清华大学学报，1998（1）：103-106.
[8] 杨华勇，谢海波，傅新.微流体机械全流场数字粒子图像测速技术[J].机械工程学报，2001（10）：31-36.
[9] 王喜世，伍小平，廖光煊，等.基于数字粒子图像的细水雾全场速度测量[J].实验力学，2003（1）：6-11.