Simulazione fluidodinamica del processo di formazione di schiuma nelle bevande gassate = Computational Fluid Dynamics Simulation of foam formation in carbonated soft drinks

Il processo di imbottigliamento di una bevanda gassata consiste di due fasi: una di riempimento ad alta pressione per consentire alla CO2 di rimanere solubile nel liquido, ed una di degassaggio, durante la quale si riduce invece la pressione al valore atmosferico. In quest’ultima fase si viene a creare una condizione di sovrasaturazione la quale, insieme alla presenza di cavità di gas formatesi a seguito del riempimento e alle sostanze disciolte nel liquido, favorisce la formazione di nuclei di bolle. Queste, distaccandosi dal sito di nucleazione, migrano verso il pelo libero del liquido, provocandone un innalzamento prima e formando uno strato di schiuma poi. Il fenomeno del degassaggio è stato modellato con l’uso della fluidodinamica computazionale implementando il modello di miscela sviluppato da Manninen e Taivasso in ambiente OpenFOAM. Nel modello è stato formulato un termine sorgente che descrive la formazione di bolle in funzione della sovrasaturazione e di due parametri modellistici incogniti, K e γ; mentre, per quanto concerne la formazione di schiuma, è stata derivata una relazione empirica la quale lega in modo lineare lo sforzo esercitato dal gas sull’interfaccia aria-liquido con la velocità di miscela mediante una costante modellistica C_f. Dal momento che, per motivi di stabilità computazionale, non è stato possibile simulare contemporaneamente l’innalzamento di livello e la formazione di schiuma (cosa che invece avviene nella realtà), si è suddiviso il lavoro in due parti. Nella prima è stato investigato l’innalzamento del livello di liquido determinando la coppia dei due parametri K e γ, la quale ne descrive il massimo per ogni condizione operativa poiché le curve sperimentali, essendo affette da errori, non ne hanno permesso il tracciamento della dinamica: l’individuazione della coppia ottimale è stata effettuata con l’uso del Design of Experiment; inoltre sono state effettuate ulteriori indagini concernenti il comportamento del modello al variare delle diverse condizioni operative. Nella seconda parte, è stata studiata la formazione di schiuma senza la previsione del collasso per determinare una relazione tra il parametro C_f e l’altezza massima di schiuma. Infine, sono stati ricavati a ritroso i parametri C_f i quali forniscono i valori di altezza massima sperimentale per ogni condizione operativa analizzata per confermare la natura predittiva del modello.