Lailai Zhu, postdoctoral researcher, Professor 霍华德石, Janine Nunes, postdoctoral researcher, and Nan Xue, graduate student.

咖啡物理学:在咖啡馆分层拉特斯工程,医学和环境收益的见解

(分解)。 13,2017年上午11时47分

研究人员在教授霍华德石的实验室已经检查拿铁咖啡,以便更好地理解分层流体。研究结果提供深入的工程和层状材料的制造。左起:石;珍妮努内斯,博士后研究员;来来朱,博士后研究员;与南薛研究生。

对于人谁在一个拿铁咖啡的色彩丰富的层惊叹,你并不孤单。普林斯顿的研究,也很感兴趣,现在已经发现,当咖啡倒入热牛奶这种分层结构如何发展。

“在拿铁结构形成是令人惊讶的,因为它从混乱的发展,最初的浇注和流体的混合成层的非常有组织的,不同的安排,”​​南学,一个分解的主要作者。 12 描述的实验性质的通信的调查结果,以及研究生 霍华德石,唐纳德河迪克森'69和伊丽莎白W上。狄克逊教授 机械和航空航天工程 在普林斯顿。

珩磨产生抢手由流动的液体层相互转化可以降低成本和复杂性在一定范围的应用技术。 

“从制造的角度来看,一个单一的浇注过程比传统的顺序堆叠在分层产品层的更简单的说,”石。 “在这项研究中的一个应用,我们正在探索物理学背后做一个整体的层状结构与一步到位,而不是一个接一个的堆叠层。”

该研究项目的灵感来自送到石分层咖啡饮料的不请自来,通过电子邮件发送照片。薛寻找一个项目,他开始了他的毕业作品承担,他开始研究这个概念通过准备拿铁咖啡在实验室中,用商店买来的咖啡和牛奶。

多次尝试后,它变得清晰薛只有某些参数,如温度范围内的停留,倒入率,允许的特征拿铁咖啡。这些努力在底层,可量化的物理其曾在其液体结构形成参与暗示。

更精确地控制他们选择了一个替身的食谱,会让咖啡师不寒而栗拿铁分层,薛和他的同事的模型:染色水代替热咖啡,咸,密集的水的热牛奶。

的发光二极管面板和照相机然后照射并拍摄的药汁内流体的移动。研究者接种有示踪粒子,其散射从绿色激光束的光的混合物,以进一步追踪人造拿铁的内部动力学,一种技术被称为粒子图像测速。最后,数值模拟运行所收集的数据与液体相互混合的不断变化的系统的各种模型进行比较。  

总体分析表明,该分层背后的主要机制是已知为双扩散对流现象。它发生在不同的密度的堆叠的流体,推动依靠重力通过它们的组分材料的移动以混合其内容物,进行热交换。一个给定的混合物,更致密的内,冷却器液体下沉,而较轻的,较热的液体上升。这种下沉和上升的停止,然而,当在一个拿铁内的区域中的局部密度接近平衡。作为结果,流体必须有水平流动,而不是垂直地创建不同的条带,或层。

通过他们的实验中,研究人员检查的温牛奶中的流体注入的速度多么重要,以及。如果浇过慢,因为它流入密集少流体密度较大的流体将混合均匀太大。更快的速率倾倒导致前者通过后者冲头和触发快速运动即在达到高潮时建立密度平衡所需的分层。

额外的工作需要完成以表征在拿铁证明它控制扩展到其它拉平液体和半固体的分层效果。但学的初步调查结果和他的同事们已经表现出了共同的饮料内的活动是如何可能会导致罕见的见解。

“这一结果表明流体力学的美丽和非常显著,”德特勒夫洛斯在谁没有参与这项研究的特温特在荷兰大学流体力学教授说。 “我认为这会对各种工业流动和混合方法在所谓的工艺技术,其中,通过一个注射具有不同密度的流体的混合进另一种是无所不在轴承”。

洛斯进一步指出,如何在普林斯顿的研究可以更好地解释耐热,在地球的广阔的海洋的盐度相关的流动,即在气候和生态关键影响的现象有所帮助。 “最真棒发现可能存在的拿铁咖啡分层之间完美的比喻,”洛斯说,“与在海洋中不同的温度和盐浓度水已知的和极其相关的层次感。”

在纸张上附加作者包括sepideh khodaparast,来来朱珍妮努涅斯和hyoungsoo金,石的普林斯顿实验室的一部分。朱也隶属于Linné酒店流量中心,在斯德哥尔摩技术的第k个皇家理工学院瑞典电子科学的研究中心。金正日还隶属于机械工程在大田科学技术的韩国高等,韩国的部门。这项工作是由美国国家科学基金会,瑞士国家科学基金会和瑞典研究理事会的支持。