通过仿真优化啤酒的酿造

家庭酿酒包含两方面，一是酿造技术，一是工程技术。有些人想改善某个啤酒配方、有些想克隆自己最喜欢的啤酒，还有些单纯好奇啤酒到底是怎么酿造的，出于这些原因，很多啤酒爱好者们开始在家自己酿酒。酿了几次酒之后，我发现从工程学的角度来看，酿造啤酒也是一项很有挑战性的活动。

啤酒课堂开课了！

写这篇文章时刚好是周五，在这漫长的一周里，我的工作颇有收获。我想此刻你也许正和我一样，在想一会该用哪种IPA啤酒来配玉米片。幸运的是，随着最近啤酒文化的兴起，现在美国可选的啤酒种类很多。但相比到当地的小酿酒作坊去买酒，我们更希望能再进一步，自己酿酒。

现在，我想给大家上一节关于啤酒酿造的速成课，告诉大家如何通过CFD仿真来改进你的酿造过程，而本节课的目的就是找出快速冷却 5 加仑沸水的方法。别急，让咱们先来补充一下背景知识。

啤酒酿造 101

可以说，自己酿酒相当简单。只要会泡茶，就会酿酒。

下面是我列出的啤酒酿造的七大步骤:

1. 首先将碾碎的大麦芽放入150-160华氏度的热水中浸泡一小时。个人酿酒者一般会在冷却器中完成这一步，以保持恒温。在浸泡中，大麦芽中的淀粉转化为糖分，易于酵母在发酵阶段吸收。
2. 一小时后，将我们得到的液体（即麦芽汁）倒入水壶中再熬煮一小时，如果想酿造啤酒花苦味更重些的啤酒，可延长蒸煮时间，但最长不宜超过两小时。在熬煮过程中加入啤酒花。在熬煮的早期加入啤酒花，会增加啤酒的苦味；在熬煮的后半段加入啤酒花，则会增加啤酒花的香味，也就是我们大多数人所钟爱的口味。要想获得啤酒花苦味最重的啤酒，可以在熬煮时多加些啤酒花，或是在发酵开始后的几天再次添加啤酒花。啤酒花还可以起到防腐剂的作用。
3. 下一步，快速冷却麦芽汁，完成冷却后加入酵母并开始发酵。
4. 现在，我们只需耐心等几天，让酵母来大显神威吧。
5. 发酵期过后，在发酵后的液体中加一些糖，装瓶，然后为它取个名字。我们暂且把它叫做 hopsol 1.0。
6. 之后还有较为乏味的一步，那就是再等几周，等待糖分和酵母代谢产生二氧化碳。
7. 最后可以开始慢慢享用我们的啤酒，四处去炫耀，如果你喜欢，可以一直这样重复下去。

这就是标准的啤酒酿造流程。如果我们能改进这一流程的话，是否还要继续拘泥于此呢？其实上面的很多步都可以通过仿真优化，让我们先从最关键的第三步开始：冷却麦芽汁。

如何急速冷却 5 加仑麦芽汁？

在第三步中，出于以下几个原因，我们需要尽快冷却熬煮后的麦芽汁。

首先，它的温度必须足够低才能保证酵母的存活。第二，尽快冷却可以减少过程中硫化物和其他杂质的产生，这些复合物都会影响最后成品啤酒的口感。最后，需要经过热冲击来实现一些蛋白质的沉淀。

在这里，我不想去详细解释这些原因，我更希望把重点放到酿造过程的工程层面。一般在家里，我们会一次酿造5到10加仑的啤酒。在大规模的工业生产中，由于一次要冷却的啤酒数量很多，因此快速冷却的问题更为突出。

快速冷却方法

1. 向麦汁壶中加冰

我在YouTube上看到一些视频，有人会向麦汁壶中加冰以实现快速降温。我不建议这样做，因为这可能会引入额外的杂质，还会稀释麦芽汁。

2. 将壶放到冰盒里降温

在厨房水槽里放一个冰盒，然后把麦汁壶放到冰盒里呢？虽然这可能是成本最低的解决方案，但却不是最有效的方法。您可以通过我们 CFD 模块 和 传热模块中的共轭传热接口自行去分析其中的原因。

用冰盒冷却麦汁壶和水杯中的自由对流模型教程非常类似，您可以在我们的案例库中找到此模型。

一杯水中的自然对流。

在本模型中，我们分析了将一杯冷水加热到室温后、水杯中的自然对流和传热现象。最初，杯子和水的温度为 5°C，将其置于室内的一张桌子上（室温：25°C）。麦汁壶的冷却问题可以用同样的方法进行建模，将麦芽汁的初始温度设为 100°C，外壁温度设为 0°C。

3. 使用麦汁冷却盘管

或者，我们可以用麦汁冷却盘管。基础麦汁冷却盘管通常为一个螺旋状管，熬煮结束后，将冷却盘插入麦汁壶中。冷却盘的一端从水槽中引入冷水，以帮助麦芽汁降温。

麦汁冷却盘图。

从麦汁冷却盘管的结构不难看出，对于本步骤的建模与我们利用池塘回路解决地暖问题的模型相同。

在模型中，我们将一个池塘作为热储层，流体会在水下通过一个封闭的聚乙烯管道系统循环流动。本模型研究了多少热量会从池塘传递到管道内的工作流体中。现在，我们建好了非等温管道流接口，并对管道系统内的温度和流体流动计算方程进行了求解。

在管道流物理场接口中，我们用一维线而非实际的三维线来代表管道，这大为简化了模型计算量。下图为麦汁冷却盘管的设计方案之一，冷却盘被浸入麦汁壶中，管道内的温度场情况如图所示：

我们可以结合方法 2 和方法 3 来加速冷却，也就是说，在使用麦汁冷却盘管的同时将麦汁壶浸入到冰盒中。

4. 使用板式换热器

另一个选择便是使用一个板式或逆流式换热器。换热器是将热量从一种流体传递到另一种流体的仪器。水最初的温度较低，因此用作冷却剂，在热传递过程中，麦芽汁降温，而水逐渐升温。下图为一款板式换热器。

用于“自家啤酒酿造”的板式换热器。

由于体积紧凑，这类换热器非常流行，也有些酿酒师们喜欢用 逆流式换热器。

壳管式冷却器模型部分介绍了 换热器模型的基本建模原则，你可以按此项步骤说明对这些设备进行建模。在模型中，两种不同温度的流体会流经换热器，一种流体在管道内流动，另一种流体在外壳内绕管道流动。

换热器不仅是最为快捷的冷却麦芽汁的方法，也是最高效的方法。大部分麦芽汁的热量会被带走并被转移到水中。冷却用水还可以继续用于浸泡下一批大麦芽，这个方法不会浪费任何能量。

自己动手通过仿真优化啤酒酿造

这里，我们已经讨论过共轭传热方面的问题、管道流模型以及换热器模型。我鼓励你接着尝试用 COMSOL Multiphysics® 来对这些不同的冷却方法进行建模，并找出最有效的办法。你可以通过 CFD模块、传热模块和管道流模块来建立模型，并进行求解。

经过所有这些建模工作之后，我相信你所酿造啤酒的味道肯定很棒，朋友们绝对会要求多来几杯！是时候扩建我们的家庭酿酒厂、再换一个更大的混料缸了，这就省去了人工搅拌的麻烦。通过 CFD 模块附加的 搅拌器模块，我们可以对混料缸进行建模，并对流体混合器和搅拌反应器进行分析。

三叶片叶轮湍流搅拌器模型（本模型考虑了三叶片自由液面的形状问题）。

如果你对文中所列的任何模型还有疑问，请联系我们的技术支持团队。如果您目前还不是 COMSOL Multiphysics 用户，希望能多了解一下 COMSOL 软件，请联系我们，我们将十分乐意为您效劳。