提起黑啤酒，你可能会想到一种 Guinness®(吉尼斯)黑啤，这种黑啤非常特别，以拥有深色的酒体和著名的白头翁形象而引人注目。仅仅是泡沫的动力学就相当有趣，可以写一系列博客文章。虽然我不喝吉尼斯黑啤(我是 IPA 的粉丝)，但是我发现关于啤酒静置时气泡是上升还是下降的长期争论是一个有趣的值得模拟的话题。
黑啤酒泡沫下沉的秘密
一杯吉尼斯黑啤中的气泡是上升还是下降？这个问题一直没有得到完整的回答，一个明显原因是大多数实验都是在酒吧进行的，这可能会影响已经下班了的研究人员的判断力。然而，最近科学家们已经通过实验(在酒吧之外进行的！)和使用 COMSOL Multiphysics® 软件(参见延伸阅读部分)进行数值计算确定了泡沫的移动方向。在这篇博客中，我们将为您展示如何使用数值方法非常快速地回答这个问题，并提供了对这个过程所涉及机理的理解。
为什么一个不喝吉尼斯黑啤的应用工程师会对气泡的运动如此着迷？事实证明，气体和气泡之间的动力学在许多行业中都有非常重要的应用，例如食品、化学和生物制药行业。在学术界，气泡动力学也是一个非常流行的课题。
在 COMSOL Multiphysics 中对浓密的气泡进行建模
气泡流 接口是模拟黑啤酒气泡动力学的合适选择。这是一个 CFD 模块中提供的物理场接口，使用纳维-斯托克斯和质量守恒方程来求解啤酒的速度和压力，而且它还通过求解一个额外的输运方程来找出啤酒中气泡的浓度。换句话说，我们并没有单独追踪玻璃杯中的每个氮气泡，因为从计算的角度来看，这代价太高了。相反，我们追踪了啤酒中气泡的体积分数。
液相(啤酒)和气相(气泡)的材料属性，即密度和黏度。
黑啤酒的一个特点是在碳酸化过程中使用氮气而不是二氧化碳，从而能够产生更细的气泡。
物理场接口设置。
模型的几何结构是在二维轴对称模式下构建的，使玻璃杯的总体积等于一品脱(约 568 毫升)。侧壁和底壁设置为默认的无滑移速度边界条件，并且没有气体通量通过玻璃。
顶部边界设置为滑动速度和气体出口，可以模拟啤酒和泡沫之间的自由表面，此处并没有对上方的泡沫进行建模。
使用靠近壁的边界层单元构建完全结构化的（映射）网格，来完整解析这些壁面附近较高的速度梯度。请注意，也可以使用带有边界层单元的默认基于物理场的三角形网格。有关网格划分的更多信息可以在之前的博客文章中找到。
玻璃杯的完全映射网格。
气泡到底是上升还是下降？
你很自然地会期望气泡通过浮力漂浮到表面。但是，在任何一个爱尔兰酒吧，你都可以用合适的玻璃杯来验证气泡会下沉。那么，这是怎么回事呢？为了回答这个问题，我们模拟了两分钟的运动过程。1.5 秒后的模拟结果如下图所示：
1.5 秒后气泡的体积分数。
上面的彩色等值线图显示了气泡的体积分数，它在开始时为均匀的 2%，1.5 秒后出现不同分布，其中在玻璃底部和侧壁附近较低。在上文中，我提到过“爱尔兰酒吧合适的玻璃杯”，因为玻璃的形状对于创造这种效果非常重要。据观察，对于朝向顶部变宽的玻璃杯，气泡会下沉，而对于朝底部变宽的玻璃杯，气泡会上升。
如该示意图所示，顶部较宽的玻璃杯中上升的气泡在倒入啤酒后立即在靠近壁面附近的地方形成一层薄薄的气泡，气泡密度较低。因此，液-气混合物在靠近壁面的密度更高。
倒入啤酒后 1~2 秒钟，流体接近静止状态。由于浮力的作用，低密度流体将上升到顶部，而高密度流体将下沉，这类似于自然对流过程，其中较热且较轻的流体相对于更密集、较冷的流体上升。在这种情况下，密度较高的流体是靠近壁的无气泡区域，而较轻的流体具有最高浓度的气泡。因此，流体会在靠近壁的地方下沉，在玻璃杯中心上升。
玻璃杯中流体环流模式的流线图。
我们已经确定玻璃杯中存在环流模式，流体在玻璃杯中心上升，在靠近壁的地方下沉(如上图所示)。但是，气泡不应该上升吗？
在假想的静止液体中，由于浮力的作用，气泡的速度是向上的。在气泡流动模型中，这个速度将是气泡的沉降速度。然而，周围的液体下沉的速度比气泡的沉降速度快。综合这两种效应，气泡会被向下夹带。用另一种方式来解释，气泡 “想往上走”，却被周围的液体拉了下来。反过来，在顶部变窄的玻璃杯中，上升的气泡在靠近杯壁的地方形成了一层密度较低的混合物(气泡浓度较高)，环流将发生逆转。
扩展阅读
- 阅读更多关于原始研究的信息: 为什么吉尼斯黑啤的泡沫会下沉?
- 查看另一篇与啤酒物理学相关的博客文章: 通过仿真优化啤酒酿造过程。
- 了解有关 COMSOL Multiphysics 多相流功能的更多信息。
- 观看有关 COMSOL Multiphysics 高级流体流动建模功能的 3 分钟视频。
- 如果您想了解有关气泡动力学或两相流建模的更多信息，请联系 COMSOL 的技术支持团队。
Guinness 是 Diageo 爱尔兰的注册商标
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