設(shè)計(jì)仿真 | 從形狀到香味，CFD助力朝日啤酒公司為客戶創(chuàng)造更好感官體驗(yàn)

朝日啤酒株式會(huì)社成立于1889年，朝日啤酒是日本最著名的啤酒制造廠商之一。1987年朝日啤酒株式會(huì)社推出新品Asahi舒波樂(lè)生啤，其銷售業(yè)績(jī)蒸蒸日上，至1998年Asahi舒波樂(lè)單品銷量已經(jīng)躍居日本第一，世界排名第三，生啤酒銷量世界第一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Asahi擁有日本啤酒市場(chǎng)40%的占有率。

圖1：朝日啤酒的產(chǎn)品示例

朝日啤酒以其“Super Dry”、“Clear Asahi”和“Dry Zero”等品牌而聞名。特別是在以Super Dry為主要產(chǎn)品的啤酒市場(chǎng)雖然給人留下了深厚的印象，但在其他酒類方面，包括發(fā)泡酒、燒酒、梅酒、低酒精飲料、葡萄酒和Nikka品牌威士忌（圖1）也在不斷擴(kuò)展其影響力，旨在成為“真正的第一綜合性酒精飲料公司”，持續(xù)從各個(gè)角度提供價(jià)值。

01 引入CFD仿真工具的原因

2009年，朝日啤酒食品技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室利用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和優(yōu)化分析等CAE分析軟件，成功開(kāi)發(fā)出易于吞咽的片劑形狀，用于開(kāi)發(fā)補(bǔ)充劑等片劑，為引入熱流體分析軟件擴(kuò)大研制范圍增加了更多的信心。朝日啤酒食品技術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始引入了 Cradle CFD的一個(gè)模塊SCFLOW & SCRYU/Tetra，因?yàn)镃radle CFD軟件在功能性和操作性的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)及?？怂箍导夹g(shù)工程師豐富的專業(yè)知識(shí)，得到了客戶的支持與認(rèn)同。 

02 邂逅香味的發(fā)展歷史

香氣是產(chǎn)品的魅力所在，而最大限度地發(fā)揮香氣的玻璃杯是一個(gè)重要的容器，可以提高飲用品質(zhì)感受。?？怂箍档臒崃黧w分析軟件 Cradle CFD 提供了分析工具，可讓研發(fā)人員實(shí)現(xiàn)“開(kāi)發(fā)一種能夠最大限度地提高產(chǎn)品香氣的特殊玻璃杯”的開(kāi)發(fā)愿望。用各種形狀的玻璃杯模擬了杯中物質(zhì)的擴(kuò)散現(xiàn)象，并與人類的感官一起進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，最終設(shè)計(jì)出了一種工程和感官相融合的玻璃杯形狀。

03 實(shí)施玻璃杯氣流分析

首先，在葡萄酒杯、雞尾酒杯、通用杯等10種形狀不同的玻璃杯中填充一定量的威士忌，蓋上一定時(shí)間的蓋子，用特殊的酒精可視化照相機(jī)（圖1）拍攝了剛?cè)∠律w子后在玻璃杯內(nèi)蒸發(fā)的酒精擴(kuò)散的情況，照相機(jī)是客戶為這個(gè)項(xiàng)目尋找到的。如預(yù)期拍攝的那樣，成功地可視化了酒精的擴(kuò)散（圖2）。因?yàn)榫凭泻邢阄兜某煞郑匀绻茉贑FD解析上模擬這種狀態(tài)，就能模擬香味的擴(kuò)散。隨后開(kāi)始使用Cradle CFD創(chuàng)建CFD分析模型。

圖1 使用紅外熱像儀可視化酒精擴(kuò)散

圖2 CFD分析結(jié)果（顯示玻璃杯內(nèi)空氣的擴(kuò)散物質(zhì)的濃度×流速）顯示酒精擴(kuò)散情況

最開(kāi)始先測(cè)量了一個(gè)個(gè)的玻璃杯形狀，用3D-CAD軟件制作了三維模型之后，用Cradle CFD讀入CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。接著，為了模擬由于蓋的開(kāi)放而引起的玻璃內(nèi)空氣的對(duì)流，不是對(duì)蓋本身進(jìn)行建模，而是通過(guò)使用體積力這一功能，在玻璃的上部產(chǎn)生流速，再現(xiàn)蓋的運(yùn)動(dòng)（圖3）。

圖3　模擬開(kāi)蓋運(yùn)動(dòng)

在Cradle CFD中，可以顯示擴(kuò)散物質(zhì)的濃度和流速等各種物理量。另外，在顯示上，“擴(kuò)散物質(zhì)的濃度×流速”也是可能的。特殊照相機(jī)的酒精濃度越高，酒精流動(dòng)速度越快，畫(huà)面也越清晰。將兩者的視頻進(jìn)行比較，結(jié)果完全一致，成功地通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)了不同的玻璃杯的形狀，對(duì)香味擴(kuò)散的影響分析。證實(shí)了該模型的分析結(jié)果與感官評(píng)價(jià)結(jié)果良好吻合。本次玻璃杯形狀的設(shè)計(jì)方法也申請(qǐng)了相關(guān)工程專利。

04 選擇CFD的理由

客戶提到Cradle CFD的好處，首先舉出技術(shù)支持非常到位。在最初的階段，知道能不能做是非常重要，但是怎么做也至關(guān)重要，技術(shù)支持都能迅速給出解答。Cradle CFD同時(shí)還具備強(qiáng)大的定制化功能，可以從讀入模型到劃分網(wǎng)格，計(jì)算，后處理，出報(bào)告，完整流程完成定制化，只需要幾步操作就可以得到想要的結(jié)果。據(jù)說(shuō)客戶在操作中最喜歡的是，在進(jìn)行解析時(shí)會(huì)出現(xiàn)“預(yù)計(jì)結(jié)束時(shí)間”，這對(duì)項(xiàng)目的進(jìn)展預(yù)測(cè)很有幫助。另外，從銷售、技術(shù)的工作人員那里感受到了熱流體軟件的專業(yè)性以及熱情，這也是關(guān)鍵因素之一。

05 其他CFD拓展

使用CFD的部門是容器包裝研究所機(jī)器開(kāi)發(fā)部，是負(fù)責(zé)啤酒用分配器的研究開(kāi)發(fā)的部分?？蛻籼岬狡【朴梅峙淦魇菬峤粨Q器，這一點(diǎn)正是熱流體分析軟件Cradle CFD的特長(zhǎng)。為了確定啤酒的冷卻效率，進(jìn)一步進(jìn)行各種各樣的仿真分析與驗(yàn)證。