基于有限元模拟的咖啡粉充填密度对咖啡胶囊内冲泡流场影响研究

目的：研究咖啡粉孔隙率对咖啡胶囊内冲泡流场及其达到稳态时间的影响，寻找咖啡胶囊内最佳咖啡粉充填密度。方法：基于自由流动和多孔介质流动理论，应用Comsol Multiphysics软件耦合Navier-Stokes方程和Brinkman方程，对咖啡胶囊不同孔隙率下胶囊内冲泡流场进行有限元模拟，研究流场分布规律。利用示踪法计算冲泡流场达到稳态的平衡时间，并构建咖啡粉不同孔隙率对平衡时间的经验公式。采用相同方法模拟手冲咖啡机中的冲泡流场，通过比较意式咖啡机出口流量和模拟出口流量验证方法准确性。结果：意式咖啡机出口流量和模拟出口流量基本一致，误差小于6.10%，表明本研究使用的方法能够用于表征咖啡粉冲泡流场分析。对咖啡胶囊内冲泡流场的模拟结果显示，咖啡胶囊孔隙率越小，咖啡胶囊稳态冲泡流场整体流速越小，且流场达到稳态时间越长。在注水孔、通孔膜小孔和出口附近流速和速度梯度显著增大，靠近杯壁方向流速减小。构建的咖啡粉孔隙率对平衡时间的经验公式能够准确预测不同孔隙率下咖啡粉中流场的平衡时间。结论：通过Comsol软件耦合Navier-Stokes方程与Brinkman方程能够用于模拟咖啡冲泡过程中的流场分布，通过咖啡孔隙率与平衡时间的经验公式有助于确定咖啡胶囊冲泡风味最佳的孔隙率，为咖啡胶囊风味改进中咖啡粉充填密度的选择提供科学依据。