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【科研故事】数控制火,创新本源

已有 329 次阅读 2025-1-13 11:16 |系统分类:科研笔记

一周的工作生活不温不火,来自多方的信息依然是热闹依旧

上周日,15日,还是依计划从成都前往广西南宁,希望节奏能够慢下来,享受些许的宁静与闲暇思考,考虑到这一点,我选择了乘坐高铁而非飞机前往南宁。从成都到南宁,6个小时高铁,路上读书闲聊,好不惬意。阅读半本书是有足够的时间,翻开作家木心的一本诗集《云雀叫了一整天》,慢慢悠悠一页页地细读,享受着难得的悠闲。很多年没有来南宁出差,见到好多老朋友,大家欢坐一堂,你一句我一句,甚是欢喜。

此时,已返程,在开封陪伴家人。又说回这次读书的感悟,这段耳熟能详的文字:“从前的日色变得慢,车、马、邮件都慢,一生只够爱一个人”,捕捉了往昔生活的宁静与纯真,令人回味;但这次摘抄了一首不熟悉的诗篇,其叙事的独特风格却有着一种沉静的力量,仿佛自个被带入了那个时代,感受到动荡时期的紧张与期待。不知不觉间,这种沉浸像是要渐渐模糊我的意识,仿佛在那历史画面中悄然入睡。这样的阅读体验,宛如一场对话,充斥在清醒与困意之间。

《巴黎六条新闻》

一八一五年

法国巴黎有家报纸

先后发布了这样六条新闻

科西嘉的怪物在茹安港登陆

吃人魔王向格拉斯前进

篡位者进入格拉布林

波拿帕特占领里昂

拿破仑接近枫丹白露

陛下将于近日抵达忠实于他的巴黎

这本书闲暇间阅读思考还是不错的,很慢,每一句话都值得慢慢咀嚼,每一次回味都能发现新的意境。木心的语言风格感觉是文白结合,既有古文的典雅,又有白话的通俗,在表达上既富有古典韵味,又不失现代感。尽管如此,考虑到个人的阅读偏好和书中的深度,总体是二星推荐吧!。

6号下午,南宁之行就开始了正式工作,讨论新立项项目如何更好的开展相关工作。这个项目是涉及传统卷烟燃烧过程中烟气形成与递送的领域的工作,由广西中烟、湖南中烟、浙江中烟和我们院共同负责。研讨会上,我做了一个简短的发言,主要内容也比较简单,如何实施该项目,期待能做出大家期待的样子。基于卷烟燃烧方面的工作,也是目前行业重点支持的卷烟产品数字化领域的基础支撑工作,我们各个合作方在一起也是从十多年前就开始在这个方面进行努力。当然这个领域的工作不仅仅可以追溯至50年前Nature上的那篇著名论文,更是可以追溯至200年前傅里叶那本《热的解析》,在这本书上的扉页上写着一句极为经典的话——“数控制着火-柏拉图”,历经数千年,亘古弥新。

我们如何开展才能获得有支撑的科学问题答案呢?我个人觉得从三个方面开展研究并努力实现突破。首先,关注当下国际前沿。从应用角度出发,过去了一年,阅读了不少的国内外论文,听到了不少国内外关于行业科技发展的信息,也参加了一些国内外的相关会议,尤其是在去年9月份执行了一次出国任务。当然从了解的信息角度,国际烟草行业,尤其是科技创新领域,在加热卷烟等新型烟草领域投入巨大,在我们看到的海外市场调研与观察中,其实也发现了一个基本的趋势,传统卷烟和新型烟草在未来消费要求中也是有不断融合相互借鉴的发展态势,无论是在产品端还是研发端,这种趋势已经相当普遍;第二,关注当下研究命题。从项目创新方向角度出发,课题本身的关键是“气流特征”,题目与研究内容本身就是一个非常“宏观”的命题,涵盖的内容还是比较宽泛并且难以找到重点研究和创新方向,行业在该相关领域研究项目上前前后后都进行了立项,也就是未来在该领域开展工作的团队并不唯一,我能随便说出行业多个团队在该领域的立项和研究工作,并可以大概知道各个团队在该领域的关注内容,在这种情况下,我们如何实现既定目标,是收?还是扩?感觉是个问题;第三点,关注当下实施课题的方法。这次该项目的立项是从基础研究这个口提出并成功获得立项的题目,当然在基础研究类的项目中,比较重要的是,是否能有获得国内外同行评议的高水平论文,这个对我们行业的科研工作者是非常困难的,但我们深知,如果能够站在多个系统边界上深度审视我们关注的系统,一定能够获得我们期待的更大进展或者突破。

那我们具体如何开展呢,我想我们项目团队有三个建议:一、顺势而为,如何基于当前和之前的工作进展,参与单位如何开发顺应国际发展态势的新产品,是值得我们项目团队思考,尤其是我们团队中的工业企业,虽然我们是一个基础研究项目,如果是在基础研究形成一定成果的同时,对一些新产品的开发起到一定的支撑作用,也是非常有价值的事情;二、项目中规定动作思考如何快速完成不纠结,重点思考在方法建立中有没有可能开发更加简便快速的测试和表征方法,这应该是我们研究团队应该重点思考的问题;三、如何跳出项目体系来思考问题,这是对项目更高的要求,我想这应该是对我和项目负责人们的共同责任。

“科学和哲学来源于闲暇-亚里士多德”,过去长期合作中,很多人都对我们团队给予了极大的支持和信任,使得团队在该方向上一直都有相关论文发表。这种支持和信任给予了我们团队同事们,尤其是对我,获得了自由和闲暇,可以从繁忙的工作中得到宝贵的闲暇时光,在发言的最后,对项目组各单位对我们的支持和信任致以最诚挚的感谢。

会中,我还告诉大家得空在公众号文章中对我们在该领域发表的论文(从我认为最重要的开始)进行的领读和分析,重温一下前面我们共同走过的路,项目工作讨论了一整天,第二天下午返程,依然高铁回,似乎受到了木心的《从前慢》的诱惑,在闲暇中发现创新的踪迹。

接下来的两天,带着一名访问交流的同学完成了在四川交流中的一个想法的写作,再次印证了面对面的交流不仅仅是有“温度”,更重要的事情是可以产生创新的灵感,未来看看工作实施情况,哪天再次想起时可以写上这次交流的故事。

回到今天的正题,我们项目团队在本周前两天的讨论核心是“气流特征”,其他文献对该领域的研究我就不做叙述了,重要的是介绍我们团队在该领域最重要的一篇论文(是我本人观点),这是一篇题为《不同抽吸状态下卷烟内部气流流动特性的近似分析》,这是2016年发表在《烟草科技》上的,之前和之后都有论文发表,关于测试表征方法的,还有流体力学计算的。但这篇论文的重要性在于烟支中流体流动过程的一维解析方法,当然看起来是一种极为简化的物理模型如图1所示,这也许是我们实现“数控制火”的第一篇论文。

图片2.png

这里面存在两个量,一个是轴向,一个是径向。轴向中不论是烟丝还是纤维滤棒多孔介质,达西流动时压降与速度的关系容易理解,径向的烟丝端的卷烟纸,滤棒段的成形纸与接装纸,以及激光打孔所形成的通风孔,也是符合达西流动的。正如他们的一般性定义“透气度”这个指标,看看他们的定义与单位就可以了,他们的单位是CU,根据定义的单位是cm/min,可以理解这里就是流速的单位,但在一定压差下,其实表达的意义就是达西流动中所定义的压降与速度的关系。

所以基于这两个方面,文章中最重要的给出了两类方程,一是轴向的,方程1和方程2表达这个关系:

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该方程表达了烟丝前段与烟丝后段的气流运动方程。

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该方程表达了滤嘴前段、滤嘴中段与滤嘴后段的气流运动方程。

另一个是径向的,方程3和方程4表达了这个关系:

图片5.png

该方程表达了空气透过卷烟纸的渗透速率。

图片6.png

该方程表达了空气透过通风孔的渗透速率。

如何将轴向与径向流速叠加形成气流特征,这里就有一个重要简化计算过程。对卷烟烟丝前段气流运动进行微元分析,烟丝内部气流增量πr2du,卷烟纸透气增量为 2πrvdx,其中,表示卷烟半径(m);du 表示气流在微元内的增量(m/s);dx 表示卷烟轴向微元(m)。根据气流质量连续性衡算,即烟丝内部气流增量等于卷烟纸透气增量可得:

图片7.png

其实到这里,建模的工作以及基本结束,剩余就是根据初始条件和边界条件计算微分方程的问题。

我们计算目标是要得到如图1所示的随着轴向长度x压降与气流速度的变化,就是文中的方程27中压差和方程30中流速:

图片8.png图片9.png

据此,我们可以方便计算图2和图3的结果

图片10.png图片11.png

本文重要之处在于获得了一维模型解析解,虽然在计算过程的细节可能会产生一定的误差,结果简明深刻地揭示了未燃烧卷烟内部气流压降、速率及吸阻和通风特征与卷烟材料物性及结构参数之间的定量关系。作者王乐博士将复杂问题简单化的方法,同时兼顾所发生的物理过程,并用数学语言很好描述该过程是极具创造性的。这篇论文也重复体现了我们团队的“简单即美”的风格特质,成为我们在以后的数年中创新的基础,由于未来项目工作的需要,特别拿出来作为“创新本源”重新回顾分享一下,以为记。

关于这本书

《云雀叫了一整天》,木心著,广西师范大学出版社,2013年出版

推荐指数:★★☆☆☆

阅读难度:★★☆☆☆。

图片1.png

2025112日于开封



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