guinness beer bubble simulation 1

ビールの泡のシミュレーション1

ギネスビールの泡はなぜ下がるか？

所長門永雅史

1

麦酒物理研究所(仮称)

ギネスビールカスケード 2

3

これをOpenFOAMで計算しよう！

ギネス・スタウト(1778～)

ピルスナー（1842～)

ピルスナーギネス

色金色黒色

爽やか濃厚

粘度 1.4cP 2cP

ニュートン流体ニュートン流体

密度

表面張力

ガス二酸化炭素（水によく溶ける）

二酸化炭素＋窒素（窒素：水に溶けにくい）

泡大きい小さい

味

30mN/m？

1070 kg/m3 1100 kg/m3(?)

30mN/m？

1 ビールの泡の直径はいくつか？

2 どうやって計算するか？

6

γ泡の表面積＋△泡の体積 *)(G*)(-G

泡の自由エネルギー（定温、定圧、可逆過程）

△G＝1.5e5

γ=50mN/m

浮力で上昇する気泡は50μｍ以上

付着力浮力泡に作用する力 - >0 で気泡は上昇

成長消滅

不安定

安定

浮力

付着力

1μｍ以上の泡は成長する

ビールの泡の直径はいくつか？

泡は壁に発生しやすい

7

・上昇する泡は50μｍ以上

・1μｍ以上の泡はビールに溶けている気体を吸収して成長する

ビールの泡の直径はいくつか？8

CO2

CO2

CO2CO2

CO2

N2

CO2

N2：水に溶けにくいCO2：水によく溶ける

泡は成長する泡はあまり成長しない

50μｍの泡

100μｍ～の泡

50μｍの泡

60μｍの泡

ピルスナーの泡は大きいギネスの泡は小さい

ピルスナーギネス9

CO2

大気中にはCO2はほとんどない

飽和蒸気圧

N2の気泡：破裂しにくいCO2の気泡：破裂しやすい


N2：空気の80%

N2

飽和蒸気圧

P(N2)=0.8*飽和蒸気圧P(CO2)=0atm

圧力差が大きい

圧力差が小さい

10泡の寿命は？

CO2 100%

発生する気泡の数Pilsner：Guinness＝1:3～1:4 程度と予想

発生する泡の数は？

D=100um D=60um

Pilsner

CO2：Ｎ２＝7:3

Guinness

⇒ 10 : 7～8

1 : (10/6)3

⇒ 1 : 4.3

ギネスの泡はきめこまやかで長持ち

ピルスナーの泡は大きめ12


色金色黒色

爽やか濃厚

粘度 1.4cP 2cP

ニュートン流体ニュートン流体

密度

表面張力

ガス二酸化炭素（水によく溶ける）

二酸化炭素＋窒素（窒素：水に溶けにくい）

泡大きい小さい

味

30mN/m？

1070 kg/m3 1100 kg/m3(?)

30mN/m？

・気泡に働く力重力、浮力、流体からの力

2 どうやって計算するか？

・流体に働く力流体⇒粒子に作用する力の反作用

・気泡の存在する範囲流体の存在する範囲

icoUncoupledKinematicParcelFoam・粒子⇒流体の相互作用を追加・流体場（P,U)を計算するアルゴリズムを追加

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icoCoupledKinematicParcelFoam流体と粉体（気泡）の連成

p

p )-()(

ρ

ρρguυ

up

p

a

dt

d

Fυgυυυ

ρρρ

pt

)()(

●流れ場の計算

●粒子挙動計算

粒子→流体への力

流体→粒子への力

計算例

http://www.geocities.co.jp/SiliconValley-

SantaClara/1183/study/OpenFOAM/particle.html

（参考）

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計算領域30mm

20mm

100mm

slip

parcelInjectionPropertiesで気泡発生場所を指定

// (x y z) (u v w) d rho mDot

(

(1e-3 1e-3 0) (0 0 0) 6e-5 1 1

(3e-3 1e-3 0) (0 0 0) 6e-5 1 1

(5e-3 1e-3 0) (0 0 0) 6e-5 1 1

(7e-3 1e-3 0) (0 0 0) 6e-5 1 1・・・・・

);

3次元計算

wall

symmetry

p:zeroGradient

U:slip

p:zeroGradient

U:wall

45度

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ギネスピルスナー100umη=1.4mPa･s

60umη=2.0mPa･s

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183次元計算結果

グラスの外からみると（気泡600um)

0mm/s以下の気泡

径粘度全気泡数下降気泡数割合

1000um 1.4mPa･s 30996 85 0.27% T=3600um 1.4mPa･s 30996 237 0.76% T=3500um 1.4mPa･s 30996 465 1.50% T=3200um 1.4mPa･s 30996 1586 5.12% T=3150um 1.4mPa･s 30996 1495 4.82% T=3120um 1.4mPa･s 30996 2937 9.48% T=3110um 1.4mPa･s 30996 5525 17.82% T=3100um 1.4mPa･s 30996 5147 16.61% T=380um 1.4mPa･s 30996 3968 12.80% T=3

80um 1.4mPa･s 30996 3968 12.80% T=4

60um 1.4mPa･s 30996 4480 14.45% T=3

60um 1.4mPa･s 30996 5727 18.48% T=6

60um 2mPa･s 62495 3749 6.00% guinness T=3s



下降気泡の割合

15～20%の気泡が下降する

粘度2.0mPa･s(Guinness）

粘度1.4mPa･s(Pilsner)

60um～100umの気泡は15～20%が下降する粘度の影響は小さい

21下降気泡の割合はどのくらいか？

Pilsnerの気泡はゆっくりと下降Guinnessの気泡は下降速度に幅広い分布

泡の速度はどのくらいか？ 22

ギネスビールの泡はなぜ下がるか？

・上昇する気泡の流れが対流を引き起こす・粘度が高いので対流が大きな対流が起こりやすい（？）・気泡は小さいが数が多いので対流が起こりやすい・気泡が小さい（浮力が小さい）ので、対流にのりやすい・気泡寿命が長いので長時間観察可能（窒素なので気泡内圧と大気圧の差が小さい）・黒いので内部の動きが見えない

次はおいしいビールの注ぎ方を研究しよう！

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