啤酒馆诞生的流体力学

weixin

　　写在前面的话
　　你们不是打着科学研究的名义去喝啤酒的吧啊喂!有本事研究下牛排、龙虾、火锅、羊肉串、大腰子……

　　炎炎夏日，最惬意的事情就是来杯冰啤酒透心凉爽一下了。打开啤酒，直冲而上的啤酒泡泡看上去就很清凉。 不过你知道吗?有些啤酒的泡泡会唱神曲《忐忑》——它们不但可以向上冒，还能往下沉。

　　啤酒泡泡向下走的现象虽然算不上什么奇迹，不过也并不常见。最有名的例子大概是爱尔兰的一种黑色烈性啤酒，它除了口感甚佳，而且也因为酒中“逆天”下沉的泡泡为人津津乐道。

　　为什么这种啤酒泡泡会下沉呢?下面让我们一起来了解一下吧。

　　气泡为何会下沉

　　实际上，很早之前人们就发现了这个现象，这些下沉的啤酒泡泡绝非视觉假象，而是货真价实的逆天行动。黑啤啤酒不但同普通啤酒一样憋着一股二氧化碳，它还闷了一肚子氮气。

　　气泡下沉的秘密正是由于这些氮气气泡作祟：一旦啤酒被打开，啤酒瓶内气压降低，二氧化碳和氮气就将不再溶于水从而过饱和形成气泡和泡沫。

　　为了简化讨论，我们假设气泡直径保持不变，只考虑作用在气泡上的浮力和单个气泡的运动就取决于这两个力之间的平衡，应用牛顿第二定律即物体运动的质量乘以加速度等于作用在物体上的合力，以气泡为研究对象，我们可以得到：

　　其中，方程右边第一项是泡浴缸的阿基米德浮力，第二项是圆球阻力公式， ρ 是流体密度， V 是气泡体积， CD 是阻力系数， Sp 是气泡在流动方向上的投影面积， U 是气泡速度， m 是气泡质量。

　　由量纲分析我们可以估算出，气泡从静止到达匀速运动的时间非常短，大概是4×10-7秒。也就是说，大部分时间里我们看见的气泡都是匀速运动的。这时气泡受力平衡，上面方程式的左边为零。

　　流体力学家根据实验得到了阻力系数在不同流动状态下的经验公式，带入上式后解方程右边就可以得到气泡上升速度：

　　其中， Re是气泡的雷诺数， ν 是流体的运动学粘性系数， D 为气泡直径， g 是重力加速度。我们知道，氮气气泡小，二氧化碳气泡大，所以氮气上升的速度慢，二氧化碳快。

　　上升快的二氧化碳气泡在水中受到阻力也大，因此反过来带给啤酒的加速度也大。一旦过饱和形成气泡以后，它们会主导杯子里面的流动，使啤酒杯中央的啤酒形成一股上升流动。

　　这股流动到达啤酒液面以后无法摆脱地球引力无处可去，于是向四周扩散开来，顺着玻璃杯壁面向下而来。这股下行流动遇上杯壁附近的细密氮气气泡并且超过气泡上升的速度就会裹挟它们下沉。

　　另一方面，黑啤酒一个很大的特点就是它是黑色的，这使得表面气泡的运动更容易观察到，而不是像透明的啤酒一样可以很容易看到中间的气泡运动。

　　如此一来只有杯壁附近的气泡被人们注意，这种泡泡下沉现象也就变得格外引人注意。

　　这就是全部真相了吗?

　　氮气气泡的确是气泡下沉现象的关键，但是二氧化碳气泡带动的中央流动本来就很微弱，况且它还在啤酒表面四散开来分散了能量，而且受到壁面阻碍，它有这么强烈以至于能够对冲氮气气泡的上升吗?

　　长久以来这个问题都被忽视了，直到科学家们对刚刚倒满的啤酒杯进行了计算机数值模拟的方法，由此揭示了干啤中下沉流动的另一个不容忽视的狠角色——啤酒杯。

　　通过一个基于MATLAB的计算流体力学软件，科学家假设啤酒中的气泡随机分布在啤酒内部，气泡在模拟过程中保持直径为122μm的圆球状(用我们上面推导的公式可以得知，气泡的速度大约为4mm/s)，由于流速很低，他们进一步假设流动是平稳的层流，经过粗略测量，估计出啤酒杯中，气泡的总体积占到玻璃杯的2%，最后也是最重要的一点，他们测量了这种曼妙的啤酒杯的三围并应用到他们的模拟中去。

　　根据这些数据和气泡以及啤酒的属性，他们开始了数值模拟。模拟结果不但印证了先前的推测啤酒杯中间的气泡以上升为主，杯子中央的液体也被带动，形成了一股中央的上升流动并且在表面向四周扩散开来，顺着玻璃杯壁面飞流直下。他们还进一步发现这种啤酒杯的外形设计还会锦上添花，让下行啤酒流更加剧烈。

　　杯子的三围，对于流体运动的影响。

　　流体力学靠硬件

　　流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体(包含气体及液体)现象以及相关力学行为的科学。按照研究对象的运动方式，可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学，还可按应用范围分为液体动力学，空气动力学等等。

　　从20世纪60年代起，流体力学就开始了和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科。比如流体动力学、磁流体力学等。此后，流体力学又发展了许多分支，比如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、等离子体动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。

　　这些巨大进展是和采用各种数学分析方法和建立大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。于是，一项名为PIV(Particle Image Velocimetry) 粒子图像测速法诞生了。

　　粒子图像测速法是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。PIV通过测量单点瞬态的粒子从而重构整个平面的粒子速度。PIV技术的特点是能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场，因而测量精度非常高。

　　目前PIV系统主要包括激光器、探测器、示踪粒子、粒子发生器及其他配件。在这其中最重要的观测设备，探测器的性能，将直接决定PIV系统的能力。

　　来源：凌云光视公众号(ID：luster_vision)