过滤嘴对吸烟的作用的数值分析

 
摘     要

本文从物理学角度出发，通过对人的吸烟过程进行分析，建立吸烟模型，引入两个基本函数 和 ，运用物理学上的守恒定律和微积分上的微元分析法准确地构造出动态吸烟模型，得到人体吸入毒物量与各个变量之间的关系的函数表达式。针对过滤嘴有无作用的问题，分别建立有过滤嘴和无过滤嘴两种情况，对这两者进行定性的比较分析，得出基本结论。
结合收集到的数据，根据Matlab的Plot函数法，对模型进行定量的分析。对人体吸入的毒物量Q进行分析，对于如何减少毒物吸入量给出了合理的建议。为烟民和香烟制造商提供了借鉴。
最后，结合以上模型的分析及所得结果，对Matlab语言在微分方程的应用做了客观的评价，同时也指出本文中的优缺点。

关键词：吸烟模型；过滤嘴；微分方程；微元法；守恒定律；Matlab
 

Numerical Analysis of Filter Tip To Smoking
 
Abstract
This article is from the physical point of view, setting up a smoking mathematical model through the analysis of people's smoking process. The article leads in 2 basic functions  and  , using the Conservation law of physics and Micro-element analysis of Calculus, accurately setting up a dynamic model of smoking, finally getting the relation between the amount of poison Q and some other variables. For the question of if a filter tip is effective or not, 2 different situations was set up in the article, one is with filter tip and the other is without filter tip. And then did a qualitative analysis and comparison as per 2 situations and got a final result.
The model was finally analyzed and verified by Matlab software accord to the data collected from elsewhere. The article offered a reasonable proposal on how to reduce the amount of poison when smoking.
 In the last, combining the analysis and the outcome of the above model, we give an objective evaluation of the Matlab language in the application of differential equations, but also point out the advantages and disadvantages of this article.

Keywords: smoking model; filter tip ; differential equation; infinitesimal method; conservation law; Matlab
 

目  录
中文摘要    i
英文摘要    ii
目录    iii
前言    1
第一章    研究背景     2
1.1  现状    2
1.2  已有研究方法    2
1.3  本文研究方法    2
第二章   MATLAB软件    3
2.1 MATLAB的简介    3
2.2 MATLAB中的PLOT函数简介    3
第三章   吸烟模型    5
3.1   吸烟的基本过程    5
3.2   吸烟模型（SMOKING MODEL）    5
3.2.1  模型机理    5
3.2.2  模型假设    5
3.2.3  模型建立    6
3.2.4  模型定性分析    11
3.2.5  模型定量分析    13
第四章   结果分析    26
致谢    27
参考文献    28
附录A      程序源代码    29
 
前  言

吸烟有害，众人皆知。尽管科学家们对于吸烟的危害提出了许多无可辩驳的证据，但是仍有不少人不愿意抛弃对香烟的嗜好。
目前全世界共有烟民11亿，估算我国有7 亿人直接或间接受到吸烟危害。据WHO(世界卫生组织)统计，每年死于吸烟有关疾病的人高达400万，平均每秒钟就有一个人死于吸烟有关疾病。如果不加控制，到2030年，每年死于吸烟有关疾病的人数将达到1000万人，而我国将占200万人。据美国疾病防治中心公布的一份研究报告显示：2006年至2010年美国平均有25万名男性和18万女性因为吸烟或被动吸烟而死亡，据估计吸烟使美国成年人的寿命平均减少14年。在因吸烟而死亡的成年人中39.8%的人死于癌症，34.7%的人死于血管性疾病，25.5%的人死于呼吸道疾病。全世界每年因吸烟死亡达250万人之多。
烟是人类第一杀手。烟草的烟雾中至少含有三种对人体有危险的化学物质：焦油，尼古丁和一氧化碳。尼古丁是一种会使人成瘾的药物，主要是对神经系统产生影响。一氧化碳能减低红血球将氧输送到全身的能力。
近年来，卷烟市场发生了很大变化，人们对吸烟的相对安全性有了更高的要求．高焦油卷烟逐渐退出市场，取而代之的低焦油卷烟产品与日俱增。在这种形势下．烟草行业迫切需要尽快使用各种有效措施降低卷烟焦油。
香烟制造商既要满足瘾君子的需要，又要顺应减少吸烟危害的潮流，还要获取丰厚的利润，于是普遍的在香烟上安装了过滤嘴，采用过滤嘴是众多降焦技术中的一种。
卷烟过滤嘴的三种主要功能包括直接拦截、惯性压紧和扩散沉淀，最普遍的是直接拦截过滤嘴。过滤是一个复杂的过程，也就是说焦油小滴从烟雾中分离出来后，当它们到达过滤嘴材料的表面时就附着在上面。
过滤嘴的作用到底有多大，与使用的材料和过滤嘴的长度有什么关系，要从定量的角度回答这个这些问题就要建立一个描述吸烟过程的数学模型，通过Matlab软件，分析人体吸入的毒物数量与哪些因素有关，以及它们之间的数量表达式。
 
第一章    研究背景

1.1  现状
吸烟有害，众人皆知。目前全世界共有烟民11亿，估算我国有7 亿人直接或间接受到吸烟危害。据WHO(世界卫生组织)统计，每年死于吸烟有关疾病的人高达400万，平均每秒钟就有一个人死于吸烟有关疾病。如果不加控制，到2030年，每年死于吸烟有关疾病的人数将达到1000万人，而我国将占200万人。
尽管科学家们对于吸烟的危害提出了许多无可辩驳的证据，但是仍有不少人不愿意抛弃对香烟的嗜好。于是普遍的在香烟上安装了过滤嘴，采用过滤嘴是众多降焦技术中的一种。
从过滤嘴的名字我们不难联想到过滤嘴可以过滤香烟中的有害成分，可以减少烟焦油、尼古丁等毒素被人吸收，降低人体对有害物质的吸收，既满足对烟的嗜好，又能相对的起到保护，于是现在的香烟全部都是过滤嘴香烟，甚至有的烟民特意再备一个过滤嘴套在香烟外。

1.2  已有研究方法
    至今对过滤嘴的研究还处于一个初始阶段。
 只能从定性的角度，采购统计的方法，说明过滤嘴对毒物具有吸附和过滤的作用，并无法从定量的角度过滤嘴的作用到底有多大，与使用的材料和过滤嘴的长度有什么关系，分析人体吸入的毒物数量与哪些因素有关，以及它们之间的数量表达式。

1.3  本文研究方法
我们只知道过滤嘴可以减少烟焦油、尼古丁等毒素被人吸收，但是过滤嘴的作用到底有多大,和使用的材料有什么直接的关系，我们都不得而知。
本篇论文目的在于要从定性和定量两个角度来回答这些问题，建立一个描述吸烟过程的数学模型，用微积分的微元分析法建立常微分方程，人体吸入的毒物数量与哪些因素有关，以及它们之间的数量表达式，针对两种不同的吸烟方式，分别建立在有过滤嘴和无过滤嘴两种情况下，运用收集到的数据，对有过滤嘴和无过滤嘴两组结果进行比较。
通过Matlab软件，从而定量的分析过滤嘴对烟究竟起着什么样的影响，进一步对过滤嘴进行改进，通过改进后的过滤嘴，使毒量尽可能少的被人吸收。