بحث تجريبي في شكل الرش في فوهة حلزونية ذات لولبين

لماذا تهم رشاشات المياه الكبيرة

عندما تندلع حرائق في مستودع أو محطة صناعية، تريد إيصال كمية كبيرة من الماء بسرعة وتوزيعها حيث تكون فعالة. تقوم فوهات خاصة مركبة في أنظمة التدفق الكثيف (deluge) بهذا تمامًا، حيث تحول المياه المضغوطة إلى بطانيات واسعة من الرذاذ. ومع ذلك، بالنسبة لتصميم شائع واحد — الفوهة الحلزونية — لدى المهندسين بيانات مفصلة محدودة حول كيفية تشكل رشاشاتها وتغيرها مع زيادة الضغط. هذه الدراسة تنفذ فحصًا تجريبيًا دقيقًا لفوهة حلزونية ذات لَولَبَيْن لتكشف كم ماء تسلم وكيف يتطور شكل الرش، مع صلة مباشرة بعمليات إطفاء الحرائق والتبريد والتطبيقات الصناعية الأخرى.

نظرة أقرب إلى أداة معدنية ملتوية

الفوهات الحلزونية هي قطع معدنية مدمجة ذات قطعة واحدة وشكل طرفها يشبه اللولب. عندما ينساب الماء عبر الحلزون، يتفتت إلى مخاريط من القطرات بدلًا من نافورة صلبة واحدة. تستطيع هذه الفوهات التعامل مع معدلات تدفق عالية جدًا — تصل إلى آلاف اللترات في الدقيقة — مع مقاومة جيدة للانسداد، وهو أمر حاسم عند استخدام مياه عسرًا أو ملوثة. تظهر هذه الفوهات بالفعل في تنظيف غازات المداخن، والتجفيف بالرش، وأعمدة التقطير، وخاصة في أنظمة إخماد الحرائق deluge حيث يجب إطلاق فيضان من الماء في ثوانٍ. على الرغم من هذا الاستخدام الواسع، فإن معظم الدراسات السابقة قاست فقط المخروط الخارجي المرئي من الرش، تاركة البُنى الداخلية وعلاقات الضغط-التدفق التفصيلية غير مستكشفة إلى حد كبير.

استكشاف البنية الخفية للرش

ركز الباحثون على فوهة حلزونية ذات لولَبَيْن، ما يعني أنها يمكن أن تشكّل بشكل طبيعي رشّات متعددة في آن واحد. باستخدام جهاز اختبار مضبوط بعناية، ضخوا الماء عبر الفوهة عند ضغوط دخول من 0.2 إلى 3.4 بار وقاسوا كمية الماء الخارجة وكم اتسع كل مخروط رش. أضاءت شاشة خلفية LED قوية والمجس الرقمي عالي الجودة أشكال الرش على خلفية داكنة. ثم عُولجت الصور بتقنيات كشف الحواف لتحديد حدود الرش وحساب زوايا المخاريط لمخروط الرش الخارجي (المسمى رش 1) والمخروط الداخلي (رش 2). حُدِد معدل التدفق الكتلي بوزن الماء المجمّع على مدى زمنية، مع إيلاء اهتمام لعدم اليقين في القياس وقابلية التكرار.

ثلاث مراحل مع ارتفاع الضغط

انقسم سلوك الفوهة بشكل طبيعي إلى ثلاث حالات. عند ضغط منخفض جدًا (حوالي 0.2 بار)، كان الماء يتقطر ببساطة كقِطَر كبيرة وخشنة — بالكاد رشًا. بين 0.2 و1 بار زاد التدفق ببطء وأصبح تيارًا مستمرًا بدلًا من ضباب. عند نحو 1.3 بار دخل التيار مرحلة انتقالية تسبق التجزؤ الحقيقي. بمجرد أن وصل ضغط الدخول إلى حوالي 1.6 بار، ظهر النمط المميز: انبثق رشّان متميزان، مخروط خارجي ومخروط داخلي أضيق. مع ارتفاع الضغط من 1.6 إلى 3 بار، زاد معدل التدفق الكتلي الإجمالي بأكثر من عشرة أضعاف. ومع ذلك، بعد 3 بار بدأ الزيادة في التدفق تتراجع، مشيرة إلى أن الفوهة اقتربت من نقطة تشبع هيدروليكي تحددها هندستها الداخلية.

رشّان، سلوكان متباينان للغاية

أظهرت البنية ذات الرشّين انقسامًا سلوكيًا لافتًا. استجاب المخروط الخارجي، رش 1، بقوة للضغط: نمت زاويته من حوالي 64 درجة عند 1.6 بار إلى نحو 121 درجة عند 3.4 بار، مما وسّع المساحة المبللة بشكل كبير. بالمقابل، ظل المخروط الداخلي، رش 2، مستقرًا بشكل ملحوظ عند نحو 30 درجة على نفس مدى الضغط، بتغيّر طفيف فقط. عند أعلى الضغوط ظهرت أيضًا رشّات ثانوية باهتة قرب الرشّين الرئيسيين، وأصبحت حواف جميع الرشّات أكثر «غبارية»، دلالة على سحابة من القطرات الأدق التي جعلت الحدود أصعب تحديدًا. أبدت كلتا الرشّتين علامات تشبع زاوي فوق 3 بار، حيث لم تنتج زيادات الضغط اللاحقة تغيرات كبيرة، مما يؤكد مرة أخرى الدور المحدّد لأبعاد الفوهة.

ماذا يعني هذا لأنظمة العالم الحقيقي

لغير المتخصصين، الخلاصة بسيطة: الطريقة التي توزع بها الفوهة الحلزونية الماء تعتمد بشدة على الضغط حتى حد معين، ثم تقيدها تشكيلتها. عند ضغوط متواضعة، تكاد الفوهة لا ترش؛ عند ضغوط التشغيل النموذجية لإخماد الحرائق، تنفتح فجأة إلى مخروطين متميزين، حيث يزداد اتساع المخروط الخارجي بشكل كبير مع ارتفاع الضغط بينما يبقى المخروط الداخلي ضيقًا وثابتًا. في النهاية يتوقف كل من التدفق وزوايا المخاريط عن الاستجابة كثيرًا للضغط المضاف. تمنح هذه القياسات الدقيقة المهندسين أرقامًا موثوقة لتصميم أنظمة إخماد الحرائق والتبريد الأكثر أمانًا وتعمل كاختبار واقع حاسم لمحاكاة الحاسوب التي تسعى للتنبؤ بكيفية تصرف مثل هذه الفوهات في ظروف صارمة.

الاستشهاد: Khani Aminjan, K., Strasser, W., Marami Milani, S. et al. Experimental investigation on spray morphology in dual pitch spiral nozzle. Sci Rep 16, 8577 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39550-z

الكلمات المفتاحية: فوهة حلزونية, شكل الرش, إخماد الحريق, تجزؤ السائل, زاوية مخروط الرش