Modellazione fluidodinamica di flusso in capsule di caffè = Fluid dynamics modelling of flow in coffee capsules

L'industria del caffè è stata rivoluzionata dall'invenzione delle capsule, che hanno reso la bevanda espresso più accessibile grazie alla semplicità e alla velocità di preparazione, alla costanza qualitativa e alla freschezza del prodotto mantenuta per periodi di tempo più lunghi. Inoltre, la vasta gamma di miscele tra cui scegliere ha contribuito alla popolarità delle capsule di caffè. Questo progetto di tesi si focalizza sulla modellazione fluidodinamica a scala macroscopica (cioè alla scala del sistema di erogazione e non della polvere di caffè) di due sistemi di capsule: commerciale e tronco-conica. Su queste vengono condotte analisi geometriche, con l’obiettivo di studiare l’effetto delle diverse geometrie del sistema capsula sull’erogazione della bevanda e la permeazione del letto granulare. In particolare, si sono identificati alcuni tra i possibili parametri che influenzano l’efficacia di permeazione come: il tipo di macinato, la geometria d’iniezione, la quantità ed eventuale disposizione del caffè impiegata. I dati di partenza per questo studio sono stati scelti di concerto con e in collaborazione con la ditta Luigi Lavazza SpA. I modelli geometrici delle capsule sono stati ottenuti utilizzando il software Blender e il processo di generazione di una geometria è stato reso semi-automatico e replicabile tramite uno script Python. Successivamente, le simulazioni di fluidodinamica computazionale sono state eseguite con il solutore open-source OpenFoam. L'obiettivo ultimo di tale lavoro di tesi consiste nel mettere a punto una procedura il più possibile affidabile ed automatizzata con l’ambizione finale di fornire uno strumento per l’analisi numerica del flusso all’interno della capsula di caffè con lo scopo di poter individuare la presenza di eventuali zone a scarsa imbibizione, in modo più veloce e a costi inferiori rispetto ai test di laboratorio. Il modello iniziale ottenuto si basa su una serie di ipotesi e descrive solo la parte di eluzione dinamica del processo di erogazione del caffè (ad esempio trascurando la pre-imbibizione). Tuttavia, può servire come modello base per future ricerche e studi sulla fluidodinamica di questo sistema di erogazione. Gli eventuali lavori futuri si possono incentrare sull'aumento della complessità del modello, ad esempio considerando una variazione del diametro delle particelle di caffè durante l'imbibizione o una variazione della porosità del letto di caffè durante l'erogazione. Inoltre, la procedura di parametrizzazione geometrica utilizzata nello studio potrebbe essere applicata ad altri casi di studio di interesse ingegneristico anche al di fuori dell’erogazione di caffè come ad esempio i sistemi di purificazione.