Modellazione fluidodinamica microscala di polveri di caffè = Microscale fluid dynamics modelling of flow in coffee powders

Oggigiorno, nell’industria del caffè si cerca sempre più di migliorare la qualità, l’aroma e il sapore di tale infuso, in accordo con le esigenze del consumatore, data la sua importanza a livello mondiale sia dal punto di vista economico sia per la funzione stimolante per l’organismo umano. Oltre a fattori legati a caratteristiche del chicco che viene utilizzato, le proprietà elencate sono particolarmente influenzate dalla distribuzione granulometrica che, di conseguenza, caratterizza i parametri fluidodinamici della polvere di caffè. Tra di essi quello chiave è la permeabilità, in quanto determina la portata attraversante l’impaccamento e, quindi, i tempi di infusione e di permanenza. Tempi molto brevi o estremamente prolungati alterano il trasferimento di materia dal letto al liquido, quindi, la qualità della bevanda. Pertanto, al fine di predire e stimare le caratteristiche fluidodinamiche, senza il bisogno di dover testare sperimentalmente tali macinati, la modellazione numerica appare fondamentale. Lo scopo di questo lavoro di tesi è descrivere un workflow per la modellazione microscala di polveri di caffè (cioè alla scala dei pori tra i frammenti solidi di polvere di caffè), atto all’ottenimento di proprietà come porosità, permeabilità e tortuosità, nota la distribuzione granulometrica sperimentale del macinato. In particolare, sono state effettuate simulazioni Discrete Element Method (DEM) per la creazione delle geometrie CAD, riproducendo la sedimentazione di migliaia di grani di polvere, dal cui risultato è possibile estrarre un volume rappresentativo, su cui eseguire le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) per la risoluzione dell’equazione che governa il moto all’interno del mezzo poroso (Navier-Stokes). Le strategie utilizzate per la rappresentazione geometrica dei frammenti sono tre, di complessità crescente: sfere monodisperse, sfere polidisperse ed ellissoidi polidispersi. Per lo studio e l’analisi del volume rappresentativo, si è deciso di analizzare i coefficienti di variazione di porosità e permeabilità. Le simulazioni DEM di sedimentazione per la creazione delle geometrie sono state condotte con YADE, per i casi sferici, e Blender, per i casi non sferici. Invece, le simulazioni CFD sono state svolte tramite OpenFOAM.