如何科学利用香烟吹出完美的烟型？

许多玩烟的高手能够吐出一连串的圆形烟圈，甚至还能吐出水母型烟圈。本文通过研究了香烟的结构和内部化学反应区，还通过一个简单的模型演示了香烟内温度与烟的分布及氧气浓度。科学告诉你烟圈是如何形成的。

香烟的分解、结构及反应区

许多人认为在抽烟的过程中，前面几口是非常具有醇厚与浓烈口感的。而你们是否有想过这其中的科学道理呢？

以雪茄为例，下面的示意图显示了雪茄的烟头、烟体、烟脚与茄帽；含烟芯、茄套以及茄衣的雪茄结构；以及吸烟期间雪茄中发生的不同变化，例如燃烧、热解和冷凝等。

雪茄的核心即烟芯、茄套负责帮助维持雪茄的结构，茄衣包裹着茄套。点火后，当雪茄达到准稳态时，形成燃烧区。热解区形成在燃烧区的正后方。

什么影响了吐烟圈的形状

抽烟时，氧气扩散传输至燃烧区，随即在燃烧过程被消耗掉。燃烧区的形状进一步决定了吸雪茄时它的燃烧形状。吸气之间，边缘处会因周围的空气更快冷却，温度分布变得更均匀，香烟中部的燃烧分布使燃烧区变得更均匀。

如果吸得过快，你会得到一个圆锥形的香烟形状，因为香烟边缘的消耗速度快于中部。反之，则将出现隧道形。点火方式以及香烟结构的不同也可能造成其他不均匀的燃烧效应，比如独木舟型。

而不同的形状也会影响生成的烟气，从而造成不同的烟雾形状。

燃烧过程的仿真

下列展示了一个简易的仿真模型结果，模拟了吸气中香烟燃烧的的形状。模型描述了燃烧过程以及烟草的热裂解。我们还在模型中加入了氧气、烟雾和尼古丁的运输，可以简单了解烟气中的温度分布与氧气浓度。

烟气的温度分布

烟气的氧气浓度

人开始吸烟时，燃烧区中的氧气浓度会急剧下降。

当烟雾粒子随着空气快速通过一个圆孔时，由于圆孔出口周边的空气是静止的，因此从圆孔中流出的空气-颗粒混合物会牵引静止的周边空气，由此形成了一个从孔洞边缘向外再转向内旋转的一个涡流。

这个涡流分布在圆孔周边，成为环状，并向前运动。

这个环状的涡流使得在其内的烟雾粒子不能等速的扩散到周边空气中，即被涡流束缚住了，由此就形成了我们看到的烟圈。

三种不同涡流形成的烟圈事例

生活中有许多看似很平常的事情，实际上背后都隐含着巨大的科学知识，如果感兴趣可以关注我们，获取更多的科普知识原理。