Indagine sperimentale sulla morfologia dello spray in ugello a spirale a doppia passo

Perché gli spruzzi d'acqua di grande portata contano

Quando un magazzino o un impianto industriale prende fuoco, è fondamentale erogare rapidamente grandi quantità d'acqua e distribuirle dove servono. Ugelli speciali montati nei sistemi a deluge fanno proprio questo, trasformando acqua pressurizzata in ampi strati di spray. Eppure, per un progettazione comune — l'ugello a spirale — gli ingegneri dispongono sorprendentemente di pochi dati dettagliati su come gli spray si formano e cambiano con l'aumento della pressione. Questo studio esamina sperimentalmente un ugello a spirale a doppio passo per rivelare quanta acqua eroga e come evolve la forma dello spray, con rilevanza diretta per la lotta agli incendi, il raffreddamento e altri impieghi industriali.

Uno sguardo ravvicinato a uno strumento metallico avvolto

Gli ugelli a spirale sono raccordi metallici compatti, monoblocco, la cui punta è sagomata a elica. Quando l'acqua scorre lungo la spirale, si rompe in coni di goccioline anziché in un getto solido. Questi ugelli possono gestire portate molto elevate — fino a migliaia di litri al minuto — resistendo all'intasamento, caratteristica cruciale quando si impiega acqua dura o sporca. Li si trova già nella pulizia dei fumi, nell'essiccazione a spruzzo, nelle colonne di distillazione e soprattutto nei sistemi antincendio a deluge dove è necessario rilasciare un'ondata d'acqua in pochi secondi. Nonostante questo ampio impiego, la maggior parte degli studi precedenti ha misurato solo il cono esterno visibile dello spray, lasciando in gran parte inesplorate le strutture interne e le relazioni dettagliate pressione-portata.

Esplorare la struttura nascosta dello spray

I ricercatori si sono concentrati su un ugello a spirale con due passi della spirale, il che gli permette di formare naturalmente più getti contemporaneamente. Utilizzando un banco di prova controllato, hanno pompato acqua attraverso l'ugello a pressioni di ingresso da 0,2 a 3,4 bar e misurato quanta acqua usciva e quanto si allargava ciascun cono di spray. Un retroilluminazione a LED intensa e una fotocamera digitale di buona qualità hanno catturato le forme dello spray su sfondo scuro. Le immagini sono state poi elaborate con tecniche di rilevamento dei bordi per individuare i contorni dello spray e calcolare gli angoli dei coni per uno spray esterno (chiamato Spray 1) e uno interno (Spray 2). La portata massica è stata determinata pesando l'acqua raccolta nel tempo, prestando attenzione all'incertezza di misura e alla ripetibilità.

Tre stadi con l'aumento della pressione

Il comportamento dell'ugello si è distinto naturalmente in tre regimi. A pressione molto bassa (intorno a 0,2 bar) l'acqua colava semplicemente a gocce grandi e grossolane — difficile parlare di uno spray. Tra 0,2 e 1 bar il flusso aumentava lentamente e diventava un getto continuo piuttosto che una nebbia. Attorno a 1,3 bar il getto entrava in una fase di transizione appena prima della vera atomizzazione. Quando la pressione di ingresso raggiungeva circa 1,6 bar, compariva il comportamento caratteristico: emergevano due spray distinti, un cono esterno e un cono interno più stretto. Con l'aumento della pressione da 1,6 a 3 bar, la portata massica totale aumentava di oltre un fattore dieci. Oltre 3 bar, però, l'incremento di portata cominciava ad appiattirsi, segnalando che l'ugello si stava avvicinando a un punto di saturazione idraulica determinato dalla sua geometria interna.

Due spray, due comportamenti molto diversi

La struttura a doppio spray mostrava una personalità sorprendentemente divisa. Il cono esterno, Spray 1, reagiva fortemente alla pressione: il suo angolo aumentava da circa 64 gradi a 1,6 bar a circa 121 gradi a 3,4 bar, ampliando notevolmente l'area bagnata. Al contrario, lo spray interno, Spray 2, rimaneva sorprendentemente stabile intorno ai 30 gradi nello stesso intervallo di pressione, variando solo leggermente. Alle pressioni più elevate apparivano anche deboli spray secondari vicino a quelli principali e i bordi di tutti gli spray diventavano più "polverosi", riflettendo una nube di goccioline più fini che rendeva i confini più difficili da definire. Entrambi gli spray mostravano segni di saturazione angolare oltre 3 bar, dove ulteriori aumenti di pressione producevano pochi cambiamenti, sottolineando ancora una volta il ruolo limitante delle dimensioni dell'ugello.

Cosa significa per i sistemi reali

Per i non specialisti, la conclusione è semplice: il modo in cui un ugello a spirale distribuisce l'acqua dipende fortemente dalla pressione fino a un certo punto, poi viene limitato dalla sua forma. A pressioni modeste l'ugello a malapena spruzza; alle pressioni operative tipiche per la soppressione degli incendi si apre improvvisamente in due coni distinti, con il cono esterno che si allarga drammaticamente all'aumentare della pressione, mentre quello interno resta stretto e stabile. Alla fine, sia la portata sia gli angoli dei coni smettono di rispondere significativamente alla pressione aggiuntiva. Queste misure precise forniscono agli ingegneri valori affidabili per progettare sistemi di spegnimento e raffreddamento più sicuri e costituiscono un controllo di realtà cruciale per le simulazioni al computer che cercano di prevedere il comportamento di tali ugelli in condizioni gravose.

Citazione: 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

Parole chiave: ugello a spirale, morfologia dello spray, spegnimento incendi, atomizzazione, angolo del cono dello spray