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■「ギネスビールの下に沈む泡」をOpenFOAMで計算してみよう!?　

　　ビールをグラスに注ぐと、「グラスの中の泡は上に浮かび上がっていく」のが普通に思えます。けれど、たとえば、ギネスビールをグラスに注ぐと、グラス中で泡が下へ下へと沈んでいくさま（ギネス・カスケード）を見ることができますし、実はギネス以外のビールや水ですら、そんな「下に沈んでいく泡」を見ることができます（参考：ギネスビール風「下に沈む泡」を作るコツ）。

　ビールを心から愛してる知人が、フリーのシミュレーションソフトウェア（開発プラットフォーム）であるOpenFOAMを使って、「ギネスビールの下に沈む泡」 を（正月休みの自由研究として）シミュレーション計算していました。非圧縮流体ソルバとDEMのソルバを組み合わせた連成解析ソルバを、（使いたてなので）かなりの試行錯誤＝時間を費やして、けれど「たった８行のC++コード」で書いて５分のCPUタイムを使って計算されていました。

　計算はグラスの断面右半分です。白い球は直径60μｍ（1mmの100分の6)の泡、ビールの粘度を10cP（水の10倍）としてみました。グラス中央では泡は浮力によって上向きに移動しますが、ガラス面では下向きに移動しています。ギネスは真っ黒で中央の泡の動きがみえないため、人間の目には泡が下向きに移動しているように見えます。

　以前、「ギネスビール風「下に沈む泡」を作るコツ」で紹介した、シミュレーションソフト FLUENT を使った「ギネスビールの泡は上がるか下がるか ?」では、「ギネスビールの下に沈む泡」の秘密をシミュレーション解析で解き明かしつつ、こんな風に書いています。

　古来, 人類は不可解な自然現象 に悩まされてきました. 由緒ある黒 ビール 「ギネス」 の泡がグラスの中 で下降しているように見えるのはな ぜだろう ? この現象は泡の物理的特 性に反するのでは ? ―― この単純 な疑問は, 何世紀もの間, 哲学者 や理論家達の論議の的となりながら も, 答えはみつからないままでした. しかし,数値流体力学 (CFD) により, 絶対的で信頼できる答えが導き出さ れました. 泡は上昇すると同時に下降していたのです.

　こんなカッコ良すぎる「いいセリフ」に書かれているような「何世紀もの謎を解き明かす作業」を、自分の意志で自由に使うことができる時間や道具の範囲で、つまりは「自由研究」でできる…って凄くいいな！と思います。

■続 「ギネスビールの下に沈む泡」をOpenFOAMで計算してみよう!?　

　ビール愛飲家が作成したグラス下部で発生した泡が、グラス内部でどう動くかを計算できるファイル群（参考：「ギネスビールの下に沈む泡」をOpenFOAMで計算してみよう!?）を使って、動粘度係数が違う時の「シュワシュワな炭酸泡の動き方・見え方」を計算してみました（設定値を私が１桁間違えている気もするのですが…）。

　左下から、炭酸飲料系モデルな粘度サラサラ系です。次の真ん中が、ギネスビールモデルで（グラスの外から見ると泡が下に落ちていく）ギネスカスケード発生系です。そして、最後の一番右が、粘度ドロドロな炭酸トマトジュース系（そんな飲料あったっけ？）。

　こうした解析作業を駆使して動粘度を最適化すれば、ギネスビール以上に華麗なギネスカスケードを魅せる至高・究極の黒ビール（もちろんグラス中央部の上昇泡が見えないような透過率や散乱率設定も必要でしょう）ができあがるかも！

■「（泡が下へ沈んでいく）ギネスカスケード」を近赤外線で撮影してみよう!?　

　もう３年近く、知人のシミュレーション屋さんが「ギネスカスケード」シミュレーションを続けている。「ギネスカスケード」というのは、グラスに注いだギネスビールの泡が、下へ下へと静かに沈んでいく現象だ（参考：続 「ギネスビールの下に沈む泡」をOpenFOAMで計算してみよう!?）。この現象を、偏微分方程式ソルバのOpenFOAMで計算するだけでなく、（計算の信頼性を上げるべく）実験を比較している。

　ただ、ほんのかすかに少しだけ残念なことに、実験撮影動画の方は、グラスの外部から見た・その表面から見える泡のようすしかわからない。なぜなら、濃い黒茶色のギネスビールでは、グラスの内部で何が起きているかはわからない。シミュレーション動画では、ギネスビールが注がれたグラスの内部挙動がわかる一方で（そういうことができるのがシミュレーションの良さでもある）、実験動画の方ではほんとうに外部表面のさましかわからないのが少し残念だ。

　…というわけで、近赤外線カメラで「グラスにギネスビールを注いだようす」を撮影してみた。つまり、近赤外線の目で眺めれば、ギネスビールはほぼ完全に透明なので、グラス内部でどんな流体と窒素の泡の相互作用が起きているかを(シミュレーション動画と同様に）眺めることができる…というわけだ。下に貼り付けた動画は、透明なグラスに透明なサイダーのような炭酸飲料を注いでいるように見えるが、実際には透明なグラスに、（可視光では不透明で濃黒茶色の）ギネスビールを注いでいるようすである。

■続「（泡が下へ沈んでいく）ギネスカスケード」を近赤外線で撮影してみよう!?　

　「（泡が下へ沈んでいく）ギネスカスケード」を近赤外線で撮影してみよう!?で、グラスに注いだギネスビールの泡が下へ下へと静かに沈んでいく「ギネスカスケード」を、近赤外線で撮影することで「可視光では見えないギネスビールの内側の泡の動き」を可視化してみました。今日は、撮影を再度行った上で、撮影した動画にParticle Image Velocimetry（PIV）を掛けて、速度場を出してみることにしました。

　まず、今回再撮影した動画は、近赤外線カメラのピント位置をグラス中央にして、グラス中央断面の泡が（他の場所の泡に対して）写りやすいようにします。本来は、投光する近赤外線光もグラス中央断面にのみに平面状で当てることで、さらにグラス中央断面に沿った泡のみが写るようにしたいところですが、今回はカメラのピント位置調整だけを行いました。その状態で撮影したのが、下に貼り付けた動画です。ちなみに、撮影した場所は、右に貼り付けた画像のように、グラスの真ん中あたりの領域です。

　Youtubeにアップロードした動画では、画像圧縮のために泡が見えづらいですが、それでもグラス中央で立ち上る泡や、グラス端部に近い領域では沈降していく泡のようすが動画から見てとれます。泡の動きを描いた矢印の色は上下方向の速度を示していて、赤い色で描かれた矢印は上昇速度が速い泡が多い状態です。グラス中央では、上向きの赤い矢印が多い…つまり、グラス中央部では泡が上昇していることがわかります。

　そこで、PIVにより描き出したギネスカスケード中の速度場のようすが、下に貼り付けた図です。（動画では視認される）グラス外周の泡沈降のようす抽出できていませんが、グラス中央で生じている泡が上昇しているさまは見えています。ギネスビールが可視光では黒茶色で不透明なために、不思議に見えるギネスカスケードですが、近赤外線で撮影した上で泡の動きの速度場を眺めてみると、自然で当然の現象であることがわかります。

■続々「（泡が下へ沈んでいく）ギネスカスケード」を近赤外線で撮影してみよう!?　

　続「（泡が下へ沈んでいく）ギネスカスケード」を近赤外線で撮影してみよう!?で撮影した、グラスに注いだギネスビールの泡が下へ下へと静かに沈んでいく「ギネスカスケード」の近赤外線による撮影を、今朝は朝日が地平線に昇る時間からリトライしてみました。…どういうことかというと、真横から指す「赤外線をタップリ含んだ（平面状の）太陽光で照らされたギネスビールのグラス断面を赤外線で撮影」し、グラスの中で生じている泡の動きを高精細に撮影してみよう！という試みをしてみたのです。

　下に貼り付けたGIF動画が、（朝日を浴びつつ）試行錯誤の末に撮影した結果です。グラス中央で上昇すると泡（やビール液体）と、グラスの端部分では下方へと押し下げられていくギネスビールと泡が見て取れます。…ちなみに、ギネスビールの泡の粒径は小さいために、流体と泡はほとんど同じような動きをします。

　ギネスビールのグラス内側で、「光る包丁」のような朝日につれられて上昇と下降をし続ける泡実験をしていると、そして告ぐ度にギネスビールを飲んでいると…「早朝からのギネスビールはイマイチ」ということに気付かされます。