15. dubna 2022 10:38

Siemens představuje: Dokonalý Guinness načepovaný s pomocí CFD

Po dvou letech lockdownu můžeme letos oslavit svátek svatého Patrika v některé z irských hospod. Pro všechny výčepní, domácí pivaře a nadšence Siemens připravil návod, jak si tu nejlepší pintu Guiness natočit s využitím CFD analýzy proudění (computational fluid dynamics).

Inzerce

Lze dokonalý Guinness načepovat s využitím CFD?

Zásadní otázka zní: Je možné dokonalé nalití nasimulovat s pomocí simulačního CFD software a vzít při tom v potaz všechny fyzikální zákonitosti, které jsou pro ten správný Guinness důležité? (a věřte, že pěna může být skutečnou noční můrou). Je možné projít všechny kroky, které výčepní potřebuje, aby načepoval dokonalé pivo? Se všemi potřebnými pohyby? Bez jediného řádku kódu? Dosáhnout takového výsledku, že se vám začnou sbíhat sliny na pivo hned, jak animaci uvidíte? A navíc ještě – získat poznatky o kouzle, které se odehrává ve sklenici Guinnessu, a které dokáže odhalit pouze CFD simulace.

1. Začít s čistou sklenicí

V CFD simulaci i v reálném světě vše začíná čistou sklenicí. Čistý v prostředí CAE znamená, že je nutné mít bezchybná CAD data sklenice a následně kvalitní výpočetní síť. (video v online verzi tiskové zprávy: https://www.siemenspress.cz/siemens-predstavuje-dokonaly-guinness-nacepovany-s-pomoci-cfd/)

Předpokladem pro vygenerování kvalitní výpočetní sítě je čistá „watertight“ geometrie. Pouze pokud je sklenice čistá a správného tvaru, lze pozorovat charakteristickou pěnovou korunu, která se vytvoří v reálném životě i v CFD.

2. Nalévat pod úhlem 45 stupňů

Správný pohyb je všechno. Mistři Guinnessu tvrdí, že pivo je třeba čepovat ve dvou krocích. Během prvního intervalu je třeba sklenici umístit k pípě pod úhlem 45 stupňů a (u značkové sklenice) zamířit na symbol harfy zhruba ve třech čtvrtinách celkové výšky.

V CFD prostředí to znamená, že je potřeba provést transformaci geometrie, aby sklenice byla ve správné poloze a ve správném úhlu. S vloženými funkcemi transformace geometrie to není žádný problém. (video v online verzi tiskové zprávy: https://www.siemenspress.cz/siemens-predstavuje-dokonaly-guinness-nacepovany-s-pomoci-cfd/)

Jak namodelovat Guinness

V CFD je nutné Guinness popsat přinejmenším jako dvousložkovou kapalinu. Je tu totiž tekutina – pivo – a také drobné bublinky dusíku, které mu po usazení dodávají charakteristickou pěnovou korunu. K popisu těchto fází je použit eulerovský přístup vícefázového modelování s popisem objemu kapaliny pro pivo. Zatímco u piva je vše jasné, u bublinek není spojitý modelovací přístup zřejmý hned na první pohled. Nejprve se zdálo, že by pro bublinky mohl být přirozenou volbou Lagrangeův přístup, ale nakonec se ukázalo, že lepší bude spojitý Eulerův popis, tj. modelování bublinek jako plynného dusíku s hustotou typické pivní pěny.

Samozřejmě se jedná jen o přibližný nástin. Ve skutečnosti jsou však bublinek miliony a reagují spolu velmi nelineárně, zejména když k sobě lnou a vytvářejí pěnovou korunu. Proto jsou bublinky modelovány jako kontinuum. Součástí poslední, třetí fáze je okolní vzduch.

Abychom přesně popsali volný povrch piva oproti okolnímu vzduchu při minimálních výpočetních nákladech, bylo využito modelově řízené adaptivní zjemnění sítě. To automaticky zpřesňuje síť na rozhraní mezi vzduchem a kapalinou v průběhu nalévání.

3. Do tří čtvrtin objemu

Když výčepní uvolní pípu a nechá pivo proudit do sklenice, začíná v úhlu 45 stupňů. Cílem této první fáze je naplnit sklenici do tří čtvrtin, což obvykle trvá zhruba 8 až 10 sekund. Pokud však pozorně sledujeme skutečné mistry, zjistíme, že jakmile dosáhnou zhruba do dvou třetin, začnou zvyšovat úhel sklonu až ke konečné vertikální orientaci. (video v online verzi tiskové zprávy: https://www.siemenspress.cz/siemens-predstavuje-dokonaly-guinness-nacepovany-s-pomoci-cfd/)

4. Usazení pěny

Nyní přichází ta nejtěžší, ale zároveň i nejzajímavější část!  Žízniví pivaři i CFD inženýři teď napjatě čekají na první osvěžující doušek a sledují miliony bublinek, které putují sklenicí. Existují desítky (polo)vědeckých studií o tomto populárním jevu, tj., že bublinky pěny v Guinnessu zdánlivě putují dolů, a přitom se akumulují nahoře, jak se pivo usazuje během úchvatného procesu procházejícím nádhernou barevnou proměnou.

Co se děje? V čem spočívá to kouzlo?

Bublinky ve skutečnosti doopravdy putují dolů po vnější straně piva a vizualizují proud ve vnějších částech směrem ke sklenici. Pozorovatel však nevidí, že ve středu sklenice působí opačný proud ve směru vzhůru: Ten je způsoben bublinkami dusíku, které díky nižší měrné hmotnosti stoupají ode dna do středu sklenice. Tento proud je tak silný, že nasává bublinky z vnější části sklenice do středu, a nakonec donutí bublinky ve vnější části posunout se směrem dolů, pak do středu, až nakonec vystoupají nahoru a vytvoří legendární bílou korunu. Vzniká tak – stručně řečeno – proud ve tvaru donutu. (obr. 2 v online verzi tiskové zprávy: https://www.siemenspress.cz/siemens-predstavuje-dokonaly-guinness-nacepovany-s-pomoci-cfd/)

Tento proud se udržuje ve vzpřímené poloze, dokud téměř všechny bublinky dusíku nedosáhnou vrcholu a nevytvoří kompaktní vrstvu pěny na tmavém pivu. Celý proces ve skutečnosti netrvá víc než minutu.

5. Dotočení

Jakmile je usazování dokončeno, je načase dotočit druhou fázi. Právě tato poslední fáze vytváří dokonalou krásu Guinnessu. Nyní je sklenice ve vertikální poloze a rychlost plnění je zredukována tak, aby se pivo jemně promíchalo, dokud se nevytvoří závěrečná koruna z pěny mírně vyčnívající ze sklenice.

Pro sekvenci otevírání a zavírání pípy, nastavení průtoku, časů jednotlivých dílčích procesů, spuštění pohybu sklenice atd. jsou použity simulační operace. Ty řídí složité simulační procesy bez skriptování nebo manuálního zásahu. Kromě nastavení parametrů a řízení numerického řešiče zahrnují logické události, smyčky a další užitečné základy programování, které celému simulačnímu procesu dávají život.

Simulační operace je pojmenovaná „Výčepní“, protože dokáže všechny triky, jak naservírovat dokonalý Guinness. (obr. 3 v online verzi tiskové zprávy: https://www.siemenspress.cz/siemens-predstavuje-dokonaly-guinness-nacepovany-s-pomoci-cfd/)

6. Servírování

Konečně je tady! V celé své dokonalosti a kráse, připraven osvěžit. Aby bylo možné této dokonalosti dosáhnout i v prostředí CFD, je zapotřebí mít možnost kvalitního rendrování. To stejně jako u skutečného piva vyžaduje péči a touhu po dokonalosti. (video v online verzi tiskové zprávy: https://www.siemenspress.cz/siemens-predstavuje-dokonaly-guinness-nacepovany-s-pomoci-cfd/)

Na zdraví!