數值模擬在煙草領域中的應用與展望

李博宇，范 興，喬俊峰，王 永，農永紅，資文華

云南師范大學能源與環境科學學院，昆明市呈貢區聚賢街768號 650500

數值模擬是一種基于物理方法和數學方法構建數學模型的技術，主要借助計算機工程軟件對研究對象進行幾何建模、網格劃分以及模型數值求解，并將結果以圖像的形式顯示，研究過程中理論虛擬實驗與實際實驗研究互相影響。該技術為研究和解決復雜的工程問題、物理問題以及各類自然界問題提供了一種模型化、可視化方法，并因具有經濟、直觀、科學等優勢被廣泛應用于國防［1-3］、航空航天［4-5］、能源工程［6-8］、食品加工［9-11］等領域。因此，如何利用數值模擬技術提高資源配置和創造能力已成為建設現代智能工廠亟待解決的難點之一［12-14］。在煙草領域中，單獨依靠實驗研究以解決工程問題存在成本高、效率低等問題，而利用數值模擬技術研究復雜的變化過程，有利于探明宏觀控制參數與微觀變化機理之間的聯系，進而為制定高效的實驗方案、深入研究各物理場變化、提升工藝水平、優化器件結構等提供科學理論支持。為此，總結了煙草研究領域中常用的數值模擬方法，重點對煙草農業、煙草工業和卷煙燃燒過程中的應用實例進行了分析，以期利用數值模擬技術更好地解決煙草領域復雜的工程技術問題，促進煙草產業向高效、智能和清潔方向轉變。

1 煙草領域中常用的數值模擬方法

目前，煙草領域中常用的數值模擬方法有離散元法（Distinct Element Method，DEM）、有限元法（Finite Element Method，FEM）和計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD），常用的軟件有EDEM（英國DEM Solutions公司）、ANSYS（美國ANSYS公司）、FLUENT（美國ANSYS公司）、OpenFOAM（美國OpenCFD公司）以及COMSOL Multiphysics（瑞典COMSOL公司）等。數值模擬軟件的主要功能是建模、網格劃分、編程、求解，根據不同的研究模擬對象和求解方法，需選擇不同軟件以實現數值模擬過程。圖1為數值模擬的基本研究框架［15］，表1為煙草領域中常用數值模擬軟件對比。

圖1 數值模擬的基本研究框架Fig.1 Basic research framework of numerical simulation

1.1 DEM

DEM是通過分析離散單元間的接觸關系構建物理力學模型，并依據牛頓第二定律建立力、加速度、速度和位移之間的聯系，從而對不連續介質問題進行數值模擬計算。DEM分為硬球模型［16］和軟球模型［17-18］。硬球模型是假設顆粒表面承受的應力較小，顆粒之間會發生瞬時碰撞但無明顯的塑性形變，該模型適用于粉末輸送等稀疏快速的顆粒流；軟球模型是假設顆粒碰撞時間較長，允許多個顆粒發生碰撞，可在短時間內處理大量數據，適用范圍廣。由于煙絲具有柔軟、易纏繞、變形等特征，為準確構建表征煙絲的數學模型，朱立平等［19-20］基于DEM軟球模型提出了一種絲狀顆粒傳熱數學模型，之后根據干燥機理構建了基于離散單元法的絲狀顆粒傳熱傳質數學模型，并利用該模型對滾筒橫向截面中絲狀物料溫度和含水率的變化過程進行數值計算，通過實驗驗證數學模型的有效性，以解決絲狀物料在滾筒內干燥不均勻等問題。為解決包裝機組煙庫中煙支在流動過程中產生變形和堵塞等問題，湯達偉等［21］利用離散元仿真軟件EDEM構建了煙支流動規律數學模型，通過分析不同包裝速度下煙支在煙庫中的速度變化及受力分布規律，為優化煙庫結構提供理論依據。

1.2 FEM

FEM常用于求解偏微分方程邊值問題的近似解，是將復雜的幾何區域離散為簡單的幾何形狀單元，各單元內的材料性質和控制方程采用單元節點的未知量表達，再通過單元集成、施加載荷和約束條件的處理得到方程組，求解該方程組即可得到該問題的近似解［22］，具體流程見圖2。利用CAD等輔助設計軟件構建研究對象的物理模型，再根據物理模型的大小及形狀選擇合適的數量及類型進行網格劃分。網格形狀越復雜、數量越多，求解精度越高，但復雜的材料設置及邊界條件定義也會影響求解精度。姬江濤等［23］基于熱力學理論，采用多物理場有限元軟件COMSOL Multiphysics對煙葉回潮機箱體內溫度場、流場進行模擬計算，并根據模擬和實驗結果優化回潮機結構，使其流場分布均勻，提高了煙葉回潮質量。管鋒［24］基于氣固耦合兩相流原理，利用有限元軟件ANSYS模擬高溫管式膨脹設備內溫度場、速度場和壓力場的變化，可直觀顯示膨脹設備處理煙絲過程，并針對多種高溫管式膨脹設備提出相應的幾何模型，通過分析比較得到較為理想的結構方案，為優化膨脹設備提供了思路。

圖2 有限元法模擬流程圖Fig.2 Flow chart of simulation based on finite element method

1.3 CFD

CFD由計算機科學、流體力學、數值分析等多個學科交叉組成，主要采用電子計算機和各種離散化的數學方法對各類流體問題進行數值模擬和分析。在國內外煙草工程研究中，通常采用CFD模擬技術對生產車間的環境參數、工藝指標進行優化，或對生產設備和輸送管道等進行設計和改進［25］。王棟梁等［26］基于CFD技術利用FLUENT軟件對加香加料筒體內的流場分布進行仿真模擬，發現布風室內氣流匯合后產生的漩渦和筒體內的不良氣泡是造成布風不均勻的主要原因，通過加裝隔板分割布風室并對各布風室獨立送風，有效解決了加香加料過程中布風不均勻的問題。張二強等［27］利用開源計算流體力學軟件OpenFOAM結合固相顆粒的DEM大規模離散模擬方法，對CTD流態化干燥設備進行全三維的氣相流場和顆粒停留時間分布的數值模擬研究，揭示了煙絲在流態化設備中的流動特性，并通過實驗驗證了添加弧形導流板可以解決塔內煙絲顆粒分布不均勻的問題。

1.4 數值模擬方法特性對比

DEM、FEM、CFD這3種數值模擬方法特性對比見表2。為解決煙草領域中復雜的工程技術問題，需要根據各種方法的優勢耦合多種數值方法。例如，利用CFD求解相關問題時，需要結合FEM等數值方法離散求解區域。FEM-CFD、CFD-DEM-FEM等耦合數值方法可以為單體與總體之間相互作用建立聯系［28-33］。

表2 煙草領域中常用數值模擬方法比較Tab.2 Numerical simulation methods commonly used in the field of tobacco

2 數值模擬在煙草農業研究中的應用

數值模擬技術在煙草農業研究中的應用主要是基于實驗數據構建數學模型，探究煙草作物的生長規律、模擬煙葉烘烤調制等過程。在實驗基礎上，通過構建數學模型描述煙草作物生長曲線，并利用計算機求解分析煙草作物生長的動態規律，實現煙草的精準可控生長；模擬煙葉烘烤調制過程并分析煙葉烤房內部溫度場、濕度場及氣流的分布規律，為優化烤房結構和提升煙葉烘烤工藝技術水平提供理論依據。

2.1 構建煙草作物生長模型

利用數值模擬技術構建煙草作物生長模型有利于分析作物生長規律、追蹤作物生長情況，從而促進煙草農業生產信息化和數字化發展，這也是煙草農業實現精準種植和管理的重要課題之一。為此，Khamis等［34］采用14種非線性生長模型對煙葉的生長數據進行擬合，結果表明Weibull、Richards模型的擬合性能明顯優于其他生長模型，更符合煙葉的生長規律。招啟柏等［35］基于大田實驗中烤煙的葉位、葉長和葉寬等動態數據，構建葉片的生長動態模型，較好地模擬了烤煙葉片隨生長時間、活動積溫變化的動態特征，具有良好的生物學意義。王蕓蕓等［36］采用模板技術構建了煙草植株的三維模型，該模型具有較高的真實感，為實現煙草生長過程的數字化和可視化仿真提供了理論支持。孫延國等［37］采用田間對比實驗研究西南煙區4個主栽品種葉片發生及生長規律，并分別建立Richards生長動態模型，對預測煙草葉片動態生長規律、實現煙葉精準調控具有重要意義。

2.2 模擬煙葉烘烤調制過程

隨著我國烤煙生產的規模化發展，密集烤房已成為烘烤煙葉的主要設施。對烘烤過程進行數值模擬并探究烤房內部環境物理量的變化規律，可為優化烤房結構和調控相關參數提供科學依據。許威等［38］在煙葉烘烤實驗中基于薄層膠體毛細管多孔干燥動力學理論，構建煙葉烘烤相對失水速率數學模型，為煙葉烘烤中干燥速度的計算和過程精準控制提供了技術支撐。劉兆宇等［39］以標準密集烤房為對象構建CFD模型，運用FLUENT軟件對烘烤干筋期密集烤房內部的溫度場、濕度場及氣流組織進行系統的數值模擬，分析密集烘烤典型送風參數下溫度場、濕度場、氣流組織的分布規律及進風口風速與煙葉間隙風速的關系，得到了最適宜的進風口風速。李研等［40］構建密集烤房物理幾何模型和烤房內氣體流動數學模型，并運用FLUENT軟件對熱風回風口不同開度下的烤房內氣流分布進行數值模擬，探明了熱風回風口調控對烤房內風場的影響規律，可為提高氣流上升式密集烤房排濕能力、優化排濕裝置設計和調控提供參考。Bai等［41］采用多孔介質、物質遷移、κ-ε湍流等理論和離散相模型，構建新型散裝烤房的三維瞬態CFD模型，有助于優化煙葉烘烤工藝。

3 數值模擬在煙草工業研究中的應用

數值模擬在煙草工業中的應用主要有煙草加工過程研究和設備優化，涉及葉絲回潮、膨脹、干燥以及煙草氣力輸送等加工過程。通過對比數值模擬結果與實驗結果，優化設備結構參數和設計數據，可以解決設備能耗大、效率低和不環保等問題。此外，數值模擬還可應用于新型煙草制品加熱元件的模擬與優化研究，通過對關鍵加熱元件進行數值模擬，有助于從宏觀至微觀尺度上研究元件的加熱傳熱機制，為改進加熱元件及產品提供科學的理論支持。

3.1 模擬煙草加工過程及優化煙草加工設備

3.1.1 葉絲回潮

模擬葉絲回潮過程并優化回潮設備結構，可為后續烘絲環節改善煙絲填充性能和感官質量提供必要的基礎條件。針對隧道式葉絲回潮機在生產過程中存在的排氣罩吸風速度快、風量大等問題，趙永祥等［42］對罩體結構進行改進，并基于流體力學理論和數值模擬方法構建罩體內部流場和葉絲顆粒運動數學模型，研究葉絲顆粒運動軌跡與罩體形狀、尺寸及內部結構之間的關系，結果表明設備優化后減少了排氣罩內葉絲沉積現象，提高了葉絲利用率和產品質量。為解決膨脹煙絲經回潮筒回潮后出現濕團煙絲等問題，徐敏等［43］使用FLUENT軟件對回潮筒噴嘴布局、加水量和筒內煙絲運動情況進行數值仿真，依據模擬結果改進回潮筒內噴嘴數量及布局，優化加水量及加水比例，為提升膨脹煙絲加工工藝水平提供支持。

3.1.2 葉絲膨脹

葉絲膨脹過程中通常存在造碎率高、煙絲損耗大等問題，而利用數值模擬可優化膨脹設備結構和參數，從而提高煙絲物理特性和利用率。沈選舉［44］基于相似理論構建高溫管道式膨脹設備的數學模型，結合反復試算分析得到高溫氣體和煙絲混合氣體兩種介質的物性參數，并采用ANSYS軟件對高溫管道式膨脹系統的內流場進行模擬，分析得出內流場的溫度、速度、壓力及氣固兩相分布，通過對模擬結果進行比較得到高溫管道式膨脹設備的優化結構。管鋒等［45］利用有限元軟件ANSYS結合“小滑移”模型對高溫管道式膨脹設備進行模擬，得出氣固兩相流溫度分布，進而優化了高溫管道式膨脹設備結構。韓金民［46］利用FLUENT軟件分別構建S形、Z形干冰煙絲膨脹塔的三維模型，闡明了塔內煙絲速度場和運動規律。

3.1.3 葉絲干燥

葉絲干燥方式主要有薄板式滾筒干燥和氣流式干燥，兩種干燥方式均涉及復雜的傳熱傳質過程，采用數值模擬技術可為研究葉絲干燥過程的微觀機理提供科學依據。Pakowski等［47］建立連續相和離散相的能量守恒、質量守恒和動量守恒方程，經數值分析得出氣流干燥后煙絲含水率和溫度分布。江威等［48］采用CFD方法構建葉絲干燥過程的數學模型，并分別對滾筒干燥和氣流干燥過程進行數值模擬。結果表明，該模型誤差小，可為干燥設備的優化和創新提供科學理論基礎。秦國鑫［49］采用非線性擬合的方法從14種薄層干燥模型中優選出Midilli-Kunck薄層干燥模型并用于表征滾筒內煙絲干燥過程，再利用微元分析方法將煙絲運動模型和干燥動力學模型耦合，模擬滾筒內煙絲顆粒干燥過程，該研究對于優化滾筒烘絲過程和提升烘絲設備過程控制能力具有一定指導意義。Geng等［50］為研究干燥過程中柔性絲狀顆粒動力學特性，引入細長體鏈模型對柔性絲狀顆粒在滾筒橫截面內的混合動力學進行二維數值計算，并分析了旋轉速度、飛行高度和填充度對混合動力學特性的影響。Gu等［51］基于柔性絲狀顆粒在工業級滾筒干燥機上的干燥特性，構建滾筒干燥機內絲狀顆粒溫度和含水率的數學計算模型，模擬結果與實驗數據一致，證明該模型具有較好的工業應用價值。Huang等［52］基于平衡含水率數學模型計算傳質驅動力并構建傳熱傳質數學模型，研究了間歇式旋轉干燥機的煙絲干燥過程，通過權重因子求解多目標非線性優化問題，確定了模型的傳熱傳質系數。該模型優于傳統模型和逆向工程模型，為探明煙絲干燥過程中的傳熱傳質機理、預測溫度和濕度分布規律提供了理論基礎。

為準確預測干燥設備內煙絲停留時間和運動規律，鄧國棟等［53］分析了煙絲在滾筒烘絲機內的運動過程并構建煙絲運動數學模型，對模型進行數值求解得到煙絲滯留時間與滾筒半徑、轉速和傾角之間的關聯性以及某一時刻煙絲在滾筒中所處的空間位置，模擬結果與實驗驗證結果一致性較好。周凱敏等［54］基于滾筒烘絲機內煙絲運動過程構建煙絲滯留時間模型，并分析了理論模型隨工藝參數的變化規律，驗證實驗結果證明，該模型能夠準確預測滾筒烘絲機內煙絲滯留時間。由表3可見，構建干燥設備中煙絲停留時間的預測模型已有大量研究。其中，Friedman-Marshall模型［55］和Zhu Wenkui模型［56］未考慮煙絲含水率變化對停留時間的影響，而Renaud等［57］的研究表明煙絲含水率會影響停留時間。為此，秦國鑫等［58］基于Friedmam-Marshall模型引入含水率進行修正，構建用于預測滾筒干燥機內煙絲停留時間的數學模型，并對所建立的數學模型進行驗證。李朋等［59］通過改變煙絲流量、滾筒轉速、傾角、風速和煙絲含水率，研究了冷態滾筒設備內煙絲停留時間，并構建了更適用于實驗用冷態滾筒設備的煙絲停留時間預測模型。

表3 干燥設備內煙絲停留時間預測模型Tab.3 Prediction model for residence time of tobacco in drying cylinder

3.1.4 煙絲氣力輸送

卷煙加工過程中，氣力輸送設備主要用于煙絲輸送和除雜，通過數值模擬分析煙絲運動規律，可為氣力輸送設備優化和過程參數調控提供科學理論基礎。吳磊等［60］基于離散相模型的粒子跟蹤多相流計算流體力學，模擬圓錐管和Z形風道內煙絲氣力輸送特性，并考慮黏性、重力、粒子直徑分布、粒子質量分布等影響因素，得到煙絲在兩種風道內的流動情況和氣流速度變化。針對煙絲氣力輸送中煙絲造碎等問題，周暉等［61］采用ANSYS有限元軟件對氣力輸送煙絲狀況進行數值分析，通過改變管道輸送風速，得到輸送管道中不同氣流的流動情況和壓力分布，從而優化輸送速度、減少煙絲造碎量。唐向陽等［62］利用CFD-FEM耦合方法模擬煙葉異物剔除器流場的速度和壓力分布，并根據模擬結果優化壓風口和托風口的寬度及風速大小，實現了檢測區域煙葉平穩運動和異物準確剔除。

3.2 模擬與優化新型煙草制品加熱元件

加熱不燃燒卷煙是一種新型煙草制品，可以使煙草在加熱但不燃燒狀態下釋放含有香味成分的煙氣，從而減少煙氣中的有害物質［63］。加熱元件的溫度分布直接影響著加熱不燃燒卷煙的加熱效果，對其進行數值模擬研究可為加熱元件的研發和質量提升提供理論依據。為此，Jiang等［64］基于多孔介質理論研究了新型卷煙的傳熱過程，采用Darcy-Forchheimer模型，并考慮黏性阻力和慣性力對壓力梯度的影響，設計了一種加熱不燃燒煙草制品，通過對氣體在煙絲介質中的流動過程進行數值模擬，得到新型卷煙的溫度場分布。為解決加熱卷煙加熱元件溫度波動大等問題，時春鑫等［65］根據加熱元件基礎物理參數及控制參數，利用COMSOL有限元軟件構建加熱元件三維模型，對其溫度場分布特性進行分析，獲得加熱元件不同工作狀態下的溫度變化規律，驗證實驗結果表明模擬結果具有可靠性。魏信建等［66-67］采用COMSOL有限元軟件對不同結構、尺寸和材質加熱元件的溫度變化規律進行數值模擬，并根據模擬結果和實驗數據選擇電熱單元工作電壓；對發熱元件溫度場和渦流密度的計算結果表明，430不銹鋼發熱元件的溫度分布均勻性較35鋼差，但其熱轉化效率更優，且溫度及升溫速率均隨頻率的增加而增加。孫志偉等［68］構建片狀電加熱體電熱數學模型，利用該模型分析不同電壓下兩種加熱體的溫度分布，實驗驗證結果表明電熱模擬可用于電加熱型煙草制品（eHTP）加熱體溫度分布研究，為加熱體的設計研發提供參考。王樂等［69］通過比較化學反應控制與外部傳質控制兩種釋放機理，構建電加熱卷煙煙芯關鍵成分傳熱傳質數學模型，可用于分析電加熱卷煙煙芯關鍵成分的逐口剩余量、釋放量和釋放質量分數的變化規律。

4 數值模擬在卷煙燃燒研究中的應用

利用數值模擬研究卷煙燃燒過程，有助于分析燃燒過程中發生的物理現象和化學反應，研究卷煙參數變化后煙氣組分分布規律，為卷煙產品研發和生產提供參考。李巧靈等［70］在回顧了國內外卷煙燃燒模型的相關研究后，提出應在深入研究卷煙燃燒過程和機理的基礎上建立全面、系統、準確的卷煙燃燒數學模型，為工藝改進提供依據。

4.1 構建煙草熱解動力學模型

燃燒卷煙內部可分為燃燒放熱區和熱解蒸餾吸熱區，除一氧化碳和二氧化碳外大部分煙氣組分來自熱解蒸餾區，通過數值模擬構建模型預測卷煙燃燒熱解過程，有利于深入研究煙草熱解機理。Wójtowicz等［71］利用熱重分析儀（TGA）獲得低熱速率數據，結合傅立葉變換紅外光譜分析（TG-FTIR）對煙草熱解動力學進行分析，并基于一級平行反應的假設以及活化能的高斯分布理論構建生物質熱解動力學模型［公式（1）］。利用該模型在高升溫速率條件下進行熱解模擬，預測的產物產率與文獻數據具有良好的一致性。為了構建更加理想的煙草熱解模型，未來還應考慮質量、能量和動量傳遞以及卷煙紙的滲透率等因素。

式中：v*和v分別為煙氣成分的總生成量和實時生成量，%（質量分數）；R為氣體常數，J/（mol·K）；σ為高斯分布寬度，J/mol；T為溫度，K；A為指前因子，s-1；E為活化能，J/mol；E0為平均活化能，J/mol。

4.2 模擬卷煙燃燒過程

卷煙燃燒過程極其復雜，利用數值模擬分析燃燒卷煙內部溫度場、氣體流場、物質濃度場的分布和擴散規律，可提高對卷煙燃燒過程特性的微觀理解。Tang等［72］采用逆向工程構建卷煙燃燒的三維模型，利用CFD方法研究卷煙燃燒過程，基于壓力-速度耦合的半隱式方法對卷煙進行數值模擬，并通過達西定律驗證模型的正確性，結果表明該模型能夠預測卷煙煙氣速度、溫度和壓力在不同時間的分布。Li等［73］構建二維數學模型來模擬卷煙的燃燒過程，利用FLUENT軟件對數學模型進行數值求解，得到焦炭的密度場、溫度場、流速場，焦油和一氧化碳的密度場以及過濾效率等信息，驗證實驗結果表明該模型能夠預測不同卷煙紙和濾嘴參數下的卷煙燃燒過程。余其昌等［74］采用CFD中的SIMPLEC等算法模擬卷煙煙氣中一氧化碳的動態流動過程并建立數學模型，獲得的吸入端煙氣流出速度分布結果與粒子圖像測速法（PIV）所得結果基本一致，該模型可用于研究煙氣的軸向流動與徑向擴散情況及其影響因素。

為探明卷煙燃吸過程中氣流的運動規律，孫志偉等［75］采用CFD技術構建溝槽濾嘴內的煙氣流動模型，模擬標準抽吸模式（ISO）平均速度下煙氣在溝槽濾嘴內的流動，獲得溝槽濾嘴內速度和壓力的分布情況以及從溝槽流出的煙氣占比，明確了濾嘴溝槽形狀、數量和長度對于溝槽流出煙氣占比的影響。Chen等［76］構建卷煙陰燃狀態下總顆粒物（TPM）生成、流動和沉積的二維數學模型，考慮粒子動力學模型對對流擴散和碰撞的影響，分析卷煙燃燒中發生的化學反應和傳熱傳質過程，揭示了顆粒物生成、流動和冷凝機理。顏聰等［77］基于質量、能量和動量傳遞方程，綜合水分蒸發反應、煙草熱解和氧化反應，利用FLUENT軟件構建卷煙陰燃過程的二維數學模型，分析不同時刻溫度分布以及煙氣中氧氣、一氧化碳、二氧化碳和水蒸氣的濃度分布。

此外，針對未點燃卷煙不同卷煙材料參數對卷煙通風率、吸阻以及卷煙內部氣體速率分布的影響，吳釗等［78］結合卷煙材料阻力特性測試結果，采用CFD算法對8種不同材料參數的試樣卷煙進行數值模擬，得到較為準確的卷煙通風率和吸阻的模擬值。為研究不同抽吸狀態下卷煙的動態通風特征，王樂等［79］基于卷煙在非燃燒狀態下的壓降與總通風率數據，構建包含通風孔結構的全煙支氣體流動三維數學模型，模擬恒速抽吸與標準抽吸兩種狀態下卷煙內部氣流壓降和速率的三維分布以及軸向分布，其結果可為卷煙燃燒過程中氣流運動規律、燃燒過程調控機理研究以及卷煙參數優化設計提供理論支持。

5 問題與展望

盡管數值模擬在解決煙草領域中一些復雜工程技術問題時已得到較廣泛應用，但由于不同模擬方法存在自身局限性，其模擬結果可靠程度往往取決于模型構建準確度、算法設計與方法技巧，因此在實際應用過程中仍面臨許多亟待解決的問題與挑戰。

5.1 自主設計開發的程序算法匱乏

目前國內廣泛使用的數值模擬工程軟件均依賴國外產品，科研人員在學習使用國外工程軟件的同時，也需要具備自主開發程序的能力，努力攻克當前亟需解決的技術難題。在基礎工程軟件國產化替代的大背景下，華中科技大學自主研發的顆粒兩相流數值模擬軟件PFlows，可對10億以上的網格和百萬以上的顆粒系統進行計算。面對獨立算法匱乏的現狀，科研人員需深入理解數值方法的基礎理論，利用OpenFOAM等開源數值模擬工程軟件開發更適合解決實際問題的新算法，如宇波等［80］提出的MSIMPLEER/ECBC算法及IDEAL/VOSET方法可解決傳熱學數值問題，提高了數值傳熱計算效率。隨著“云計算”技術的不斷成熟，計算速度迅速提升且成本下降，應大力發展自主研發的工程軟件并開發新的數值算法，彌補國內工程軟件和獨立算法匱乏的短板，以提高自主開發模型的預測能力并解決現實中復雜的工程技術問題。

5.2 數值模擬算法研究與應用欠深入

當前煙草領域應用數值模擬技術解決實際工程技術問題時，對各算法自身基本理論的研究較少，尤其在細小運動數學模型的問題描述等方面。朱立平等［19-20］將煙絲數學模型由球形顆粒優化為由若干桿狀顆粒和鉸約束連接而成的細長鏈式模型，使得該絲狀顆粒明顯區別于球形顆粒，避免過度簡化模型，有效降低了計算誤差。深入研究數值模擬算法是未來實際應用中的一個重要方向，可將各數值方法進行耦合，充分利用各算法的優勢優化數學模型，拓展模型的適用范圍和解析精度；還可在修正物理參數時，對存疑參數可能帶來的影響進行評估，有針對性地開展極限測試和分析［81］，而不必刻意追求某些參數的精確性。

5.3 數值模擬與各科學方法耦合研究有待加強

單一使用數值模擬技術無法實現對復雜過程的智能預測，且難以構建有效解決錯綜復雜問題的數學模型，而BP神經網絡和遺傳算法等科學方法能夠處理復雜變化過程中的各種問題。Wang等［82］基于BP神經網絡，探究氣候、土壤和栽培措施等參數變化與煙葉產量和綜合質量的內在關聯性，構建以產量和綜合質量為目標的優化評價模型，并設計一種改進遺傳算法（GA）對模型進行優化，解決了栽培措施的決策問題。王戈等［83］針對卷煙濾嘴的流場特性，利用逆向工程和CT掃描法獲取卷煙濾嘴三維結構點云信息構建卷煙濾嘴流體域的數學模型，該模型精確度高，可為研究卷煙濾嘴流場特性提供新途徑。因此，未來研究可以將數值模擬與逆向工程［84-85］、多值邏輯［86-87］、遺傳算法［88-89］、人工神經網絡［90-92］等多種科學方法相結合構建模型，以期快速、精準地解決復雜變化過程中的相關問題，提高模型的智能預測能力。

6 結論

數值模擬作為一種特色明顯、優勢突出的高端虛擬制造技術，在煙草領域已取得較多的研究進展，有望突破當前傳統煙草領域所面臨的技術瓶頸，但在程序算法自主設計開發、數值模擬算法研究與應用以及數值模擬與各科學方法耦合研究等方面還存在問題與挑戰。隨著計算機軟硬件及各種數值計算模型的進一步優化，數值模擬技術將更好地服務于煙草領域，促進煙草產業向高效、智能和清潔的方向變革。