Investigation expérimentale de la morphologie de pulvérisation dans une buse spiralée à pas double

Pourquoi de grandes pulvérisations d’eau sont importantes

Lorsqu’un entrepôt ou une usine prend feu, il faut fournir rapidement beaucoup d’eau et la répartir là où elle est la plus efficace. Des buses spécifiques montées dans des systèmes de deluge font exactement cela : elles transforment l’eau sous pression en larges nappes de pulvérisation. Pourtant, pour une conception courante — la buse spiralée — les ingénieurs disposent de surprenantes peu de données détaillées sur la formation des jets et leur évolution avec la pression. Cette étude examine expérimentalement une buse spiralée à pas double pour révéler la quantité d’eau fournie et la façon dont la forme du jet évolue, avec des implications directes pour la lutte contre l’incendie, le refroidissement et d’autres usages industriels.

Un examen rapproché d’un outil métallique torsadé

Les buses spiralées sont des raccords métalliques compacts, monobloc, dont l’embout est façonné en hélice. Quand l’eau traverse la spirale, elle se disloque en cônes de gouttelettes plutôt qu’en un jet solide. Ces buses peuvent supporter des débits très élevés — jusqu’à plusieurs milliers de litres par minute — tout en résistant à l’encrassement, ce qui est crucial avec de l’eau dure ou sale. On les trouve déjà dans le nettoyage des gaz de combustion, le séchage par pulvérisation, les colonnes de distillation et surtout dans les systèmes de deluge d’extinction d’incendie où un flot d’eau doit être libéré en quelques secondes. Malgré cet usage étendu, la plupart des travaux antérieurs n’ont mesuré que le cône externe visible, laissant les structures internes et les relations détaillées pression-débit largement inexplorées.

Explorer la structure cachée du jet

Les chercheurs se sont concentrés sur une buse spiralée à deux pas de spirale, ce qui lui permet de former naturellement plusieurs jets simultanément. À l’aide d’un banc d’essai soigneusement contrôlé, ils ont pompé de l’eau à des pressions d’entrée comprises entre 0,2 et 3,4 bar et ont mesuré le débit et l’ouverture de chaque cône de pulvérisation. Un rétroéclairage LED puissant et un appareil photo numérique de qualité ont capturé les formes des jets sur fond sombre. Les images ont ensuite été traitées par des techniques de détection de contours pour repérer les limites des pulvérisations et calculer les angles des cônes pour un jet externe (appelé Pulvérisation 1) et un jet interne (Pulvérisation 2). Le débit massique a été déterminé en pesant l’eau collectée au fil du temps, en portant attention à l’incertitude de mesure et à la répétabilité.

Trois stades à mesure que la pression augmente

Le comportement de la buse s’est naturellement réparti en trois régimes. À très basse pression (environ 0,2 bar), l’eau coulait simplement goutte à goutte sous forme de grosses gouttes grossières — difficilement une pulvérisation. Entre 0,2 et 1 bar, le débit augmentait lentement et devenait un jet continu plutôt qu’un brouillard. Vers 1,3 bar, le jet entrait dans une phase de transition juste avant la véritable atomisation. Une fois la pression d’entrée d’environ 1,6 bar atteinte, le motif caractéristique est apparu : deux pulvérisations distinctes ont émergé, un cône externe et un cône interne plus étroit. À mesure que la pression augmentait de 1,6 à 3 bar, le débit massique total a augmenté de plus d’un facteur dix. Au-delà de 3 bar, cependant, l’augmentation du débit a commencé à s’atténuer, indiquant que la buse approchait d’un point de saturation hydraulique imposé par sa géométrie interne.

Deux pulvérisations, deux comportements très différents

La structure à double pulvérisation montrait une dichotomie frappante. Le cône de pulvérisation externe, Pulvérisation 1, réagissait fortement à la pression : son angle est passé d’environ 64 degrés à 1,6 bar à près de 121 degrés à 3,4 bar, élargissant considérablement la surface mouillée. En revanche, la pulvérisation interne, Pulvérisation 2, est restée remarquablement stable, autour de 30 degrés sur la même plage de pression, ne variant que légèrement. Aux pressions les plus élevées, de faibles pulvérisations secondaires sont également apparues près des principales, et les bords de toutes les pulvérisations sont devenus plus « poudreux », reflétant un nuage de gouttelettes plus fines qui rendait les limites plus difficiles à définir. Les deux pulvérisations montraient des signes de saturation angulaire au-dessus de 3 bar, où de nouvelles augmentations de pression produisaient peu de changement, soulignant à nouveau le rôle limitant de la géométrie de la buse.

Ce que cela signifie pour les systèmes réels

Pour les non-spécialistes, la conclusion est simple : la façon dont une buse spiralée répartit l’eau dépend fortement de la pression jusqu’à un certain point, puis est limitée par sa forme. À faibles pressions, la buse ne pulvérise guère ; aux pressions de service typiques pour la lutte contre l’incendie, elle s’ouvre soudainement en deux cônes distincts, le cône externe s’élargissant fortement avec l’augmentation de la pression tandis que le cône interne reste étroit et stable. Finalement, le débit et les angles des cônes cessent de beaucoup répondre à des pressions supplémentaires. Ces mesures précises fournissent aux ingénieurs des valeurs fiables pour concevoir des systèmes d’extinction et de refroidissement plus sûrs et constituent un contrôle essentiel pour les simulations numériques visant à prédire le comportement de ces buses en conditions exigeantes.

Citation: 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

Mots-clés: buse spiralée, morphologie de la pulvérisation, extinction d’incendie, atomisation, angle de cône de pulvérisation