黃忠輝，黃潔潔，高嶧涵，李 典，高乃平，陸 漓，王萍娟，巫 毅

1. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，廣西南寧市北湖南路28 號(hào) 530001

2. 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海市四平路1239 號(hào) 200092

3. 上海新型煙草制品研究院有限公司，上海市浦東新區(qū)秀浦路3733 號(hào) 201315

4. 廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司柳州卷煙廠，廣西柳州市靜蘭路1 號(hào) 545026

電子煙作為一種新型煙草制品，在全球范圍內(nèi)受到廣泛關(guān)注。常見(jiàn)的電子煙主要由霧化芯、加熱元件、儲(chǔ)液倉(cāng)、微電子傳感器和電池等元件構(gòu)成。多孔霧化芯是電子煙的關(guān)鍵部件，主要起到承載和輸運(yùn)煙液的作用，市面上最常見(jiàn)的霧化芯材料為有機(jī)棉或多孔陶瓷［1-2］。在電子煙工作過(guò)程中，霧化芯孔隙中的煙液吸收電熱絲散發(fā)出來(lái)的熱量而氣化逸散，同時(shí)受氣液界面不同相壓力差的驅(qū)動(dòng)，存在煙液自補(bǔ)充的過(guò)程以供繼續(xù)受熱氣化。電子煙的煙液是由丙二醇（PG）、甘油（VG）、香精以及煙堿組成的多元非共沸混合溶液，其中，丙二醇和甘油在常溫下不混溶，其二者在煙液質(zhì)量中占比90%以上，為電子煙煙液的主要組成部分［3］。電子煙的霧化工作過(guò)程本質(zhì)上是雙組分或多組分的混合溶液在多孔介質(zhì)內(nèi)的受熱相變及毛細(xì)作用下的液體傳輸?shù)倪^(guò)程，涉及了液氣相變和多孔介質(zhì)毛細(xì)作用下的傳熱傳質(zhì)耦合問(wèn)題，當(dāng)霧化芯孔隙內(nèi)的煙液被氣化消耗時(shí)，由于孔隙內(nèi)由液體單相變?yōu)橐簹怆p相，液氣界面產(chǎn)生壓力差，孔隙內(nèi)液氣界面上的毛細(xì)作用會(huì)使得與霧化芯末端相連接的儲(chǔ)液倉(cāng)里的新煙液被不斷輸運(yùn)補(bǔ)充至霧化芯孔隙內(nèi)。

近年來(lái)，電子煙的研究大多是測(cè)量分析方面［4-10］，如謝國(guó)勇等［5］測(cè)量了電子煙霧化劑霧化過(guò)程的溫度變化特性；Lee 等［8］測(cè)量并分析了電子煙的煙液成分、煙液消耗量和消耗率；Chen等［9］測(cè)量了電阻絲加熱溫度、加熱功率以及煙液組成等因素對(duì)電子煙霧化效果的影響；李典等［10］依據(jù)相似原理搭建了便于布置多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的電子煙擴(kuò)尺試驗(yàn)臺(tái)，用于測(cè)量電子煙內(nèi)部不同位置的溫度變化特性。而在理論研究方面，Shihadeh等［11］采用煙堿通量（Nicotine Flux）來(lái)描述使用者吸入的煙堿劑量和吸入速率。Talih等［12］建立了非穩(wěn)態(tài)零維集總模型來(lái)研究加熱功率、抽吸模式、煙液組成、煙堿含量等對(duì)煙堿遞送的影響。Gao等［13］用數(shù)值模擬方法研究了電子煙多孔芯毛細(xì)管蒸發(fā)行為。目前針對(duì)電子煙的多孔介質(zhì)液氣相變傳熱傳質(zhì)機(jī)理的理論研究較少。因此，本研究擬通過(guò)建立計(jì)算機(jī)模型，研究電子煙多口抽吸情景下，電子煙多孔霧化芯內(nèi)煙液氣化相變過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性、煙液組成變化及系統(tǒng)的熱效率，為電子煙的霧化機(jī)理研究提供方法參考。

1 數(shù)值模型

1.1 模型介紹

為了研究煙液在電子煙多孔霧化芯內(nèi)發(fā)生的受熱霧化過(guò)程，選取外繞電加熱絲的柱形多孔霧化芯為研究對(duì)象，多孔霧化芯兩端浸入儲(chǔ)液倉(cāng)中，另有柱形氣流通道與霧化芯中央垂直相交?；谒巺^(qū)域的外圍是否有電加熱絲纏繞引入的面熱源，將霧化芯分為兩段：一段是有電加熱絲外繞的加熱段，另一段是沒(méi)有電加熱絲外繞的輸運(yùn)段。整根霧化芯均受毛細(xì)作用影響，但由于氣流通道僅和加熱段區(qū)域重合，因此抽吸氣流僅影響加熱段。如圖1所示，將霧化芯簡(jiǎn)化視為柱形多孔體，其中紅色區(qū)域代表加熱段，Lh為多孔霧化芯加熱段的長(zhǎng)度；藍(lán)色區(qū)域代表輸運(yùn)段，Lt為多孔霧化芯輸運(yùn)段一端的長(zhǎng)度；D 為柱形多孔霧化芯的直徑；氣流通道視為內(nèi)徑與加熱段長(zhǎng)度相同的柱形通道。

圖1 多孔介質(zhì)霧化芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of a porous atomizer

在電子煙工作過(guò)程中，霧化芯孔隙內(nèi)不斷發(fā)生液氣相變，整個(gè)過(guò)程中煙液氣化溫度、氣化速率、煙液組分等參數(shù)不斷變化。因此，為了保證分析計(jì)算的可操作性和便利性，在數(shù)值模型建立過(guò)程中采用如下假設(shè)：①多孔介質(zhì)視為各向同性的剛性介質(zhì)，內(nèi)部孔隙均與外界連通，孔隙分布均勻，連續(xù)介質(zhì)假設(shè)和局部熱平衡假設(shè)適用；②煙液作為不可壓縮流體，煙液的氣化產(chǎn)物為理想氣體，煙液是丙二醇和甘油的混合物，未考慮煙堿等占比較少的組分；③電加熱絲的加熱功率全部傳遞給多孔霧化芯及煙液，不考慮其他損耗；④煙液各組分為常物性參數(shù)，混合煙液的物性參數(shù)隨組分占比變化而變化；⑤在數(shù)值模擬中，整個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)的時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間步，單個(gè)時(shí)間步內(nèi)各個(gè)物理量保持不變，單個(gè)時(shí)間步內(nèi)煙液的流動(dòng)為穩(wěn)定的軸向一維流動(dòng)，煙液的傳輸僅受毛細(xì)壓力驅(qū)動(dòng)，忽略接觸角的影響；⑥不考慮多孔介質(zhì)和煙液的熱量傳遞時(shí)間，忽略多孔介質(zhì)和儲(chǔ)液倉(cāng)接觸端的煙液入口效應(yīng)。

1.2 控制方程

從能量守恒來(lái)看，將含液多孔霧化芯視為系統(tǒng)，外界輸入系統(tǒng)的能量為電熱絲輸入的熱量，在抽吸過(guò)程中，這些能量將分別用于含液多孔介質(zhì)的升溫、煙液的氣化、含液多孔介質(zhì)的軸向?qū)?、含液多孔介質(zhì)與抽吸氣流的對(duì)流換熱以及對(duì)外輻射。在抽吸間隙，氣流通道中空氣流速較小，無(wú)法觸發(fā)氣流開(kāi)關(guān)，與氣流開(kāi)關(guān)相連的電加熱絲停止工作，電加熱絲不提供能量，而其他能量消耗形式依舊存在。每個(gè)能量項(xiàng)都可以通過(guò)非穩(wěn)態(tài)能量守恒方程來(lái)描述和計(jì)算。霧化芯加熱段的能量守恒方程如下：

式中：hD，i是雙組分煙液中組分 i的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m/s；Δρg，i是氣相中組分i 在多孔介質(zhì)表面富集的密度與在抽吸氣流中的密度之差，kg/m3；Tb是雙組分煙液的沸點(diǎn)溫度，℃。

在蒸發(fā)濃度較低、擴(kuò)散通量較小的情況下，對(duì)流傳質(zhì)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式和對(duì)流傳熱具有同一函數(shù)形式，即可以用圓柱繞流下的對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式Nu=f（Re，Pr）以相同形式類比到蒸發(fā)傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式Sh=f（Re，Sc）上［14］。圓柱繞流下的對(duì)流傳熱關(guān)聯(lián)式采用Churchill-Bernstein經(jīng)驗(yàn)式（適用于Rea·Pra＞0.2 的情形）［14］，故有蒸發(fā)傳質(zhì)關(guān)聯(lián)式：

式中：Di是雙組分煙液中組分i 在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Shi是混合溶液中組分 i 蒸發(fā)傳質(zhì)的舍伍德數(shù)，表征對(duì)流傳質(zhì)與擴(kuò)散傳質(zhì)的強(qiáng)度相對(duì)大?。籖ea=uaD/va是氣流通道內(nèi)的空氣雷諾數(shù)；ua是抽吸氣流流速，m/s；va是空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s；Sci=va/Di是蒸發(fā)傳質(zhì)的施密特準(zhǔn)則數(shù)，表征速度邊界層和濃度邊界層的厚度相對(duì)關(guān)系。

當(dāng)抽吸氣流視為純凈空氣時(shí)，式（7）中Δρg，i即等于氣相中組分 i 的密度，Δρg，i＝ρg，i。由克拉貝龍方程ρg，i＝PiMi（/RT），Mi是組分i 的相對(duì)分子質(zhì)量，kg/mol；R 是通用氣體常數(shù)，J（/mol·℃）；Pi=xiPi*是雙組分煙液中組分i的氣相分壓，Pa；其中xi是組分i在煙液中的摩爾分?jǐn)?shù)；Pi*是煙液中組分i 的飽和蒸氣壓，Pa，可以由安托萬(wàn)方程計(jì)算得到：

式中：Ai、Bi、Ci分別是煙液中組分i的安托萬(wàn)常數(shù)，取值參考美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)（NIST Chemistry WebBook）［15-16］，如表1所示。

表1 所研究雙組分煙液的安托萬(wàn)方程系數(shù)Tab.1 Antoine equation coefficients of the studied e-liquid with two components

抽吸間歇電加熱絲不提供能量，但因含液多孔霧化芯溫度仍高于煙液蒸發(fā)溫度，表面煙液仍在發(fā)生氣化。由于抽吸間歇?dú)饬魍ǖ乐袩o(wú)抽吸氣流，從多孔霧化芯表面氣化的丙二醇、甘油蒸汽會(huì)逐漸富集在霧化芯表面上方的空間中，使得表面附近空間內(nèi)的蒸汽壓增大，從而抑制多孔介質(zhì)表面的煙液氣化。為了定量描述這一部分影響，此處引入間歇?dú)饣禂?shù)clapse來(lái)對(duì)抽吸間歇期間的煙液氣化傳質(zhì)進(jìn)行修正：

抽吸期間，煙液的流動(dòng)及霧化實(shí)質(zhì)是液體在多孔介質(zhì)內(nèi)在毛細(xì)作用的輸運(yùn)驅(qū)動(dòng)下受熱霧化的過(guò)程，該輸運(yùn)過(guò)程的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、毛細(xì)壓力—飽和度方程。取右側(cè)一端輸運(yùn)段軸向位置x 處一段長(zhǎng)度為dx 的微單元進(jìn)行分析，根據(jù)多孔介質(zhì)基本特性參數(shù)的定義，孔隙率ε為孔隙體積與多孔介質(zhì)總體積的比值，飽和度s為孔隙內(nèi)液體體積與孔隙體積的比值，因此飽和度可表示為：

式中：h（x）為軸向位置x處液相連續(xù)體的液面高度，m。

對(duì)微單元dx 進(jìn)行連續(xù)性分析，則質(zhì)量守恒方程為：

式中：h1為微單元dx 出口處的液相連續(xù)體的液面高度，m；ρl為液體密度，kg/m3；u1為微單元dx出口處的煙液在毛細(xì)作用下發(fā)生流動(dòng)的速度，m/s；h2為微單元dx入口處的液相連續(xù)體的液面高度，h2=h（x+dx），m；u2為微單元dx入口處的煙液在毛細(xì)作用下發(fā)生流動(dòng)的速度，m/s。

非飽和多孔介質(zhì)中液體的毛細(xì)流動(dòng)滿足達(dá)西定律［17］即流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力為液體流動(dòng)方向的前后壓差。根據(jù)毛細(xì)壓力的定義，毛細(xì)壓力Pc實(shí)質(zhì)是氣液界面兩端不同相的壓力差，即Pc=Pg-Pl，其Pg為氣相壓力，Pa；Pl是孔隙內(nèi)的液體壓力，Pa。由于氣流通道與外界連通，氣相壓力等同視為外界氣壓Pa。毛細(xì)壓力是含有液氣相變多孔介質(zhì)中流體輸運(yùn)的主要驅(qū)動(dòng)力，因此煙液在多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)量方程可化為：

式中：K是多孔介質(zhì)的絕對(duì)滲透率，m2；μ1是液體動(dòng)力黏度，Pa·s。

滲流領(lǐng)域廣泛應(yīng)用Kozeny-Carman 方程作為預(yù)測(cè)多孔介質(zhì)滲透率的半經(jīng)驗(yàn)公式?；卩囉冷h等［18］的匯總和Carman［19］的研究，多孔介質(zhì)絕對(duì)滲透率可表示為：

式中：rave為平均孔隙半徑，μm；τ為孔道彎曲因子。

采用Leverett［20］提出的毛細(xì)壓力通過(guò)無(wú)因次函數(shù)J（s）與飽和度相關(guān)聯(lián)，則毛細(xì)壓力—飽和度方程表示為：

式中：σ是氣相與液相界面處的氣液表面張力系數(shù)，N/m。

忽略殘余飽和度，并考慮數(shù)值求解的可行性，無(wú)因次函數(shù)采用 Udell［21］提出并得到廣泛使用［17，22-23］的關(guān)聯(lián)經(jīng)驗(yàn)式：

2 模擬條件及求解方法

2.1 邊界條件

模型的邊界條件為第一類邊界條件，即給定起始時(shí)刻的各物理量初值，隨后逐步求解各個(gè)時(shí)刻的物理量。對(duì)于霧化芯內(nèi)的煙液傳輸，有下列邊界條件需要滿足：

（1）由于霧化芯兩端一直浸沒(méi)在儲(chǔ)液倉(cāng)中，則多孔霧化芯的煙液傳輸入口處：

（2）多孔霧化芯輸運(yùn)段與加熱段的交界處，毛細(xì)作用下的煙液傳輸質(zhì)量速率mc滿足：

2.2 求解方法

數(shù)值模型的求解采用MATLAB 作為計(jì)算工具，其中液氣相變過(guò)程的時(shí)間求解采用一階前向差分格式，煙液傳輸?shù)目臻g分布求解采用二階中心差分格式。基于給定的初始條件（初始溫度、初始煙液組成、加熱功率等），確定初始的物性參數(shù)后，對(duì)控制方程采用有限差分法進(jìn)行離散，依次求解各個(gè)物理量，數(shù)值模擬過(guò)程的各組分參數(shù)如表2所示。

表2 煙液組分參數(shù)Tab.2 Parameters of e-liquid components

3 結(jié)果與討論

3.1 模型校驗(yàn)

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模擬條件設(shè)置為與文獻(xiàn)［6］所述實(shí)驗(yàn)工況一致，以有機(jī)棉作為多孔霧化芯材料，霧化芯直徑3.8 mm，加熱段長(zhǎng)度8 mm，輸運(yùn)段一端長(zhǎng)度4 mm，多孔介質(zhì)孔隙率44%，環(huán)境溫度22 ℃，初始煙液組分比例為PG∶VG=100∶0［體積分?jǐn)?shù)占比（%），下同］，加熱功率為15 W，每口抽吸時(shí)長(zhǎng)為3 s，兩口抽吸之間間隔30 s，抽吸口數(shù)為7 口。引入的間歇?dú)饣禂?shù)分別取值為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0進(jìn)行模擬，將不同間歇?dú)饣禂?shù)取值下煙液溫度隨時(shí)間變化的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［6］的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2 可以看出，不同間歇?dú)饣禂?shù)下的模擬結(jié)果均與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果一致，即在每一口抽吸期間，煙液溫度迅速上升，而在電加熱絲停止工作的抽吸間歇期間，煙液溫度逐漸由快速下降變?yōu)榫徛陆?。?duì)比6種不同的間歇?dú)饣禂?shù)取值的模擬結(jié)果，當(dāng)間隙氣化系數(shù)為0.2 時(shí)，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)［6］的測(cè)量結(jié)果最接近，其相對(duì)平均誤差為10.2%，認(rèn)為模擬結(jié)果較準(zhǔn)確，將以此間隙氣化系數(shù)取值開(kāi)展后續(xù)研究。

圖2 不同間隙氣化系數(shù)下的煙液溫度變化Fig.2 Temperature variation of e-liquid at different interval vaporization coefficients

3.2 液氣相變傳質(zhì)過(guò)程模擬結(jié)果

3.2.1 逐口抽吸開(kāi)始、結(jié)束時(shí)刻煙液溫度變化

為了研究抽吸口數(shù)對(duì)多孔介質(zhì)液氣相變傳熱傳質(zhì)過(guò)程的影響，用已驗(yàn)證的多口抽吸模型模擬了總抽吸口數(shù)為5口的多口抽吸過(guò)程。設(shè)定多孔介質(zhì)孔隙率50%，霧化芯直徑3 mm，加熱功率9.09 W，加熱段長(zhǎng)度8 mm，輸運(yùn)段一端長(zhǎng)度4 mm，初始煙液組成為PG∶VG = 50∶50，每口抽吸時(shí)長(zhǎng)為3 s，兩口抽吸之間間隔為30 s，環(huán)境溫度為10 ℃。逐口抽吸始末煙液溫度隨抽吸口數(shù)變化的模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 逐口抽吸始末煙液溫度Fig.3 Temperature of e-liquid at the beginning and end of each puff for 5 consecutive puffs

由圖3 可以看出，隨著抽吸口數(shù)增加，每口抽吸開(kāi)始時(shí)刻和抽吸結(jié)束時(shí)刻的煙液溫度在逐漸上升，從第2口開(kāi)始，每口抽吸結(jié)束時(shí)煙液溫度比上一口平均提高4.4%。從多口抽吸的角度分析，每口抽吸結(jié)束時(shí)的煙液狀態(tài)除了與3 s 抽吸期間的多孔介質(zhì)液氣相變傳熱傳質(zhì)過(guò)程有關(guān)，還與抽吸開(kāi)始時(shí)煙液的狀態(tài)有關(guān)；由于前一口抽吸結(jié)束后，有余溫的煙液在抽吸間隙繼續(xù)進(jìn)行傳熱傳質(zhì)。霧化芯孔隙中的煙液在抽吸間隙期間會(huì)發(fā)生降溫，這是由于抽吸間隙電加熱絲未向多孔介質(zhì)輸入能量，而含液多孔介質(zhì)與外界環(huán)境依然存在溫差，導(dǎo)熱、輻射、對(duì)流損失仍然發(fā)生。降溫的幅度除了與上述3種熱損失有關(guān)以外，還與抽吸間隙的時(shí)長(zhǎng)有關(guān)。在環(huán)境溫度條件下，抽吸間隙30 s 時(shí)間內(nèi)煙液的降溫幅度有限，煙液無(wú)法降至環(huán)境溫度，從而使后續(xù)抽吸始末的煙液溫度相繼提高。

3.2.2 逐口抽吸煙液PG、VG組分占比變化

為了進(jìn)一步考察霧化過(guò)程中煙液組成的變化，對(duì)不同抽吸口序下的煙液氣化速率以及每口抽吸結(jié)束時(shí)各組分所占體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。針對(duì)PG∶VG = 50∶50的煙液在不同霧化溫度下的釋放實(shí)驗(yàn)［24］表明，當(dāng)霧化溫度為260 ℃時(shí)，PG、VG的釋放量接近一致；當(dāng)霧化溫度高于260 ℃時(shí)，VG相對(duì)釋放量高于PG。模擬結(jié)果與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論顯示出一致的規(guī)律，當(dāng)?shù)? 口抽吸結(jié)束時(shí)，由圖3 可見(jiàn)煙液的平均溫度為259.3 ℃，同時(shí)在圖4 中第4 口抽吸時(shí)VG 組分的平均氣化速率略小于PG 組分；在第5 口抽吸結(jié)束時(shí)，由圖3 可見(jiàn)煙液的平均溫度為263.3 ℃，同時(shí)在圖 4 中第 4 口抽吸時(shí) VG 組分的平均氣化速率已超過(guò)PG組分。此外，煙液整體的每口平均氣化速率與煙氣中體積分?jǐn)?shù)占比較大的PG 組分變化趨勢(shì)一致，呈先升高后下降的趨勢(shì)，氣化較少的VG 組分每口抽吸平均氣化速率則是隨著口序增大而遞增。第2口抽吸時(shí)的平均氣化速率最大，達(dá)到了2.8 mg/s，比第1 口提高了12.2%，從第3 口開(kāi)始，每一口抽吸時(shí)的煙液平均氣化速率比上一口平均降低4.3%。雖然每口抽吸始末的煙液溫度不斷上升，但第2口抽吸結(jié)束時(shí)，多孔介質(zhì)空隙內(nèi)煙液的PG組分體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)從初始的50%降到21%，由于VG組分具有相對(duì)更高的汽化潛熱值，因此隨著煙液中PG組分的減少，將導(dǎo)致雙組分混合煙液的汽化潛熱值增大，即相同的能量耗費(fèi)下一定時(shí)間內(nèi)的氣化產(chǎn)物質(zhì)量將減少，導(dǎo)致煙液整體平均氣化速率降低。

圖4 逐口抽吸平均氣化速率Fig.4 Average vaporization rate of each puff for 5 consecutive puffs

圖5 逐口抽吸煙液組分變化量Fig.5 Component variation of e-liquid released by each puff for 5 consecutive puffs

從煙氣組分來(lái)看，圖5中每口煙氣中VG組分的占比不斷增大，PG 組分占比均≥50%。從煙液組分來(lái)看，霧化芯孔隙中液相PG、VG的逐口變化規(guī)律呈現(xiàn)與氣相組分相反的趨勢(shì)。Talih等［12］的同類模擬結(jié)果也指出：在單口抽吸的早期階段，揮發(fā)性更強(qiáng)的PG 以遠(yuǎn)高于揮發(fā)性較弱的VG 的速率從煙液中排出，因此氣相組分幾乎完全由PG組成。在小功率下（2 W），幾乎僅有PG進(jìn)行蒸發(fā)，抽吸3 s后氣相中PG質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)95.6%；在大功率下（11 W），隨著抽吸的進(jìn)行，煙液溫度繼續(xù)升高，蒸發(fā)速率加快，霧化芯中殘余煙液中VG組分比例的不斷升高使得更多的VG向氣相轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致蒸氣成分更快地接近母液，約1.25 s后氣化達(dá)到穩(wěn)態(tài)。本研究中的多口抽吸過(guò)程可視為單口抽吸過(guò)程的組合，但進(jìn)一步考慮了抽吸間隙對(duì)下一口抽吸的煙液初始狀態(tài)的影響，本研究中的加熱功率條件（9.09 W）介于Talih 模擬的兩種功率之間，由此可判斷在逐口抽吸開(kāi)始時(shí)，PG 組分先進(jìn)行快速蒸發(fā)，且達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間晚于1.25 s，導(dǎo)致氣相中PG 比例大于VG；但隨著每口抽吸結(jié)束時(shí)刻煙液溫度不斷上升，達(dá)到穩(wěn)定氣化的時(shí)間會(huì)縮短，使得氣相中PG、VG 的體積比更接近儲(chǔ)油倉(cāng)中兩種組分的比例。對(duì)于液相而言，由于在前4口抽吸中煙液平均溫度未達(dá)到260 ℃，VG組分相對(duì)于PG組分氣化更慢，VG 逐漸富集在孔隙內(nèi)，表現(xiàn)為VG 組分在液相中的體積分?jǐn)?shù)不斷上升。

3.2.3 逐口抽吸熱能耗及熱效率

不同抽吸口序下的熱消耗及熱效率如圖6所示，從圖中可以看出，煙液在多孔介質(zhì)孔隙內(nèi)的液氣相變過(guò)程中，多孔霧化芯和煙液組成的系統(tǒng)，其每口抽吸的系統(tǒng)升溫耗能隨抽吸口序的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，對(duì)于總抽吸口數(shù)為5 口的情況，第1～2口抽吸系統(tǒng)升溫耗能從19.02 W降低至17.78 W，第3～5口升溫耗能從17.94 W升高至18.25 W。每口抽吸的煙液氣化耗能則隨抽吸口數(shù)變化先增大后減小，與每口抽吸平均氣化速率的變化趨勢(shì)一致。軸向?qū)釗p失、空氣對(duì)流損失和對(duì)外輻射損失均隨抽吸口序的增大而增大，這是由于導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射3項(xiàng)熱損失與該口抽吸結(jié)束時(shí)的煙液溫度正相關(guān)。每口抽吸的軸向?qū)釗p失、空氣對(duì)流損失和對(duì)外輻射損失分別平均相對(duì)提高8.4%、6.8%、11.6%。不同抽吸口數(shù)下，每口抽吸熱效率的范圍為90.9%～93.3%。每增加一口抽吸口數(shù)，每口抽吸的熱效率平均減小0.6%。

圖6 逐口抽吸熱消耗及熱效率變化量Fig.6 Variations in heat consumption and heat efficiency of each puff for 5 consecutive puffs

4 結(jié)論

利用計(jì)算機(jī)軟件MATLAB 建立了電子煙煙液在多孔霧化芯內(nèi)液氣相變和毛細(xì)作用下的液體傳輸?shù)臄?shù)值模型，模擬了多口抽吸下的煙油型電子煙煙液相變的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，研究了多口抽吸條件下，電子煙煙液相變過(guò)程的傳熱傳質(zhì)特性、煙液組成變化以及熱利用情況。結(jié)果表明：①煙液在抽吸間隙發(fā)生降溫但無(wú)法降至環(huán)境溫度，隨著抽吸口數(shù)的增加，逐口抽吸開(kāi)始時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻的煙液溫度較上一口相比平均提高4.4%。②煙液的平均氣化速率隨抽吸口序的增大而呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，第2口抽吸時(shí)達(dá)到最大值2.80 mg/s，比第1 口抽吸時(shí)相對(duì)提高12.2%。③多口抽吸時(shí)，隨抽吸口序的增加，逐口的系統(tǒng)升溫耗能呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，逐口的煙液氣化耗能則先增大后減小；逐口的導(dǎo)熱、對(duì)流、輻射3項(xiàng)熱損失逐級(jí)增大。每口抽吸的熱效率隨抽吸口數(shù)增加而減小，當(dāng)抽吸口數(shù)從1 口增加至5 口，每口抽吸的熱效率從93.3%降至90.9%。