结合 X 射线显微断层扫描与光滑粒子流体动力学模拟探究咖啡基质微观结构与水力特性之间的联系
流体动力学
2023-10-10 v2
摘要
咖啡萃取涉及许多极难建模的复杂物理与输运过程。在众多影响咖啡最终品质的因素中，咖啡基质的微观结构是最关键的因素之一。本文中，我们使用 X 射线微计算机断层（microCT）技术捕捉颗粒尺度上咖啡基质的微观细节，并基于光滑粒子流体动力学方法（SPH）利用三维重建数据进行流体动力学模拟。由此可从模拟中获得诸如基质渗透率和弯曲度等信息。我们发现，在意式浓缩冲泡典型的常压梯度条件下，惯性效应可能相当显著，并可为文献中渗透率测量不一致的现象提供解释。进一步考察了数种咖啡粉，揭示了其独特的微观细节及相应的流动特征。通过比较萃取前后咖啡基质的 microCT 图像，发现萃取后总是形成从底部出口到顶部入口递减的孔隙率剖面。这一反直觉现象可用我们先前工作提出的压力相关侵蚀模型解释。我们的结果表明，microCT 扫描可为咖啡萃取建模提供有用的微观细节，并为探索咖啡粉微观结构与萃取动力学之间联系的数据驱动数值框架奠定基础。后者是研究挥发与非挥发有机物时间演化进而研究咖啡冲泡风味剖面的前提。
引用
@article{arxiv.2305.03911,
title = {Exploring the link between coffee matrix microstructure and flow properties using combined X-ray microtomography and smoothed particle hydrodynamics simulations},
author = {Chaojie Mo and Richard Johnston and Luciano Navarini and Furio Suggi Liverani and Marco Ellero},
journal= {arXiv preprint arXiv:2305.03911},
year = {2023}
}