Badania eksperymentalne morfologii rozpylania w dyszy spiralnej o dwóch skokach

Dlaczego duże natryski wody mają znaczenie

Kiedy magazyn lub zakład przemysłowy się pali, zależy nam na szybkim dostarczeniu dużej ilości wody i rozprowadzeniu jej tam, gdzie jest najbardziej potrzebna. Specjalne dysze montowane w systemach zalewowych robią dokładnie to — przekształcają wodę pod ciśnieniem w szerokie koce rozpylonego płynu. Jednak dla jednego powszechnego rozwiązania — dyszy spiralnej — inżynierowie dysponują zaskakująco niewielką ilością szczegółowych danych o tym, jak konkretnie formują się jej strumienie i jak zmieniają się wraz ze wzrostem ciśnienia. Niniejsze badanie przygląda się eksperymentalnie dyszy spiralnej o dwóch skokach, aby ujawnić, ile wody dostarcza i jak ewoluuje kształt jej rozpylania, z bezpośrednim znaczeniem dla gaszenia pożarów, chłodzenia i innych zastosowań przemysłowych.

Bliższe spojrzenie na skręcone narzędzie z metalu

Dysze spiralne to zwarte, jednolite metalowe elementy, których końcówka ma kształt helisy. Gdy woda przemieszcza się obok spirali, rozbija się na stożki kropelek zamiast tworzyć prosty, zwarty strumień. Te dysze radzą sobie z bardzo dużymi przepływami — sięgającymi tysięcy litrów na minutę — przy jednoczesnej odporności na zapychanie, co jest kluczowe przy użyciu twardej lub zanieczyszczonej wody. Występują już w oczyszczaniu spalin, suszeniu rozpylonym, kolumnach destylacyjnych, a szczególnie w systemach zalewowych do gaszenia pożarów, gdzie fala wody musi zostać uwolniona w ciągu kilku sekund. Pomimo szerokiego zastosowania, wcześniejsze badania w większości mierzyły jedynie zewnętrzny, widoczny stożek rozpylania, pozostawiając wewnętrzne struktury i szczegółowe zależności ciśnienie–przepływ w dużej mierze nieodkryte.

Badanie ukrytej struktury strumienia

Naukowcy skupili się na dyszy spiralnej o dwóch skokach spirali, co oznacza, że naturalnie może tworzyć jednocześnie wiele strumieni. W starannie kontrolowanym układzie badawczym pompowali wodę przez dyszę przy ciśnieniach wejściowych od 0,2 do 3,4 bara i mierzyli, ile wody wypływało oraz jak szeroki stawał się każdy stożek rozpylania. Jasne podświetlenie LED z tyłu i wysokiej klasy kamera cyfrowa utrwalały kształty rozpylania na ciemnym tle. Obrazy przetworzono technikami wykrywania krawędzi, aby wyznaczyć granice strumieni i obliczyć kąty stożków dla zewnętrznego rozpylania (nazwanego Rozpylanie 1) oraz wewnętrznego (Rozpylanie 2). Prędkość masowa przepływu określana była przez ważenie zebranej wody w czasie, z uwzględnieniem niepewności pomiaru i powtarzalności.

Trzy etapy wraz ze wzrostem ciśnienia

Zachowanie dyszy naturalnie podzieliło się na trzy rejony. Przy bardzo niskim ciśnieniu (około 0,2 bara) woda po prostu kapała w postaci dużych, grubych kropli — trudno było mówić o rozpylaniu. Pomiędzy 0,2 a 1 barem przepływ zwiększał się powoli i przybierał formę ciągłego strumienia zamiast mgły. Około 1,3 bara strumień wszedł w stadium przejściowe tuż przed właściwą atomizacją. Gdy ciśnienie na wejściu osiągnęło około 1,6 bara, pojawił się charakterystyczny wzorzec: wyłoniły się dwa wyraźne rozpylania, zewnętrzny stożek i węższy stożek wewnętrzny. W miarę wzrostu ciśnienia od 1,6 do 3 bar całkowita prędkość masowa wzrosła ponad dziesięciokrotnie. Powyżej 3 bar jednak przyrost przepływu zaczął się wypłaszczać, co sygnalizuje, że dysza zbliża się do hydraulicznego punktu nasycenia określonego jej wewnętrzną geometrią.

Dwa rozpylania, dwa zupełnie różne zachowania

Struktura dwóch rozpyleń wykazała wyraźne rozdwojenie charakteru. Zewnętrzny stożek, Rozpylanie 1, silnie reagował na ciśnienie: jego kąt wzrósł z około 64 stopni przy 1,6 bara do około 121 stopni przy 3,4 bara, znacznie rozszerzając zwilżany obszar. W przeciwieństwie do tego wewnętrzne rozpylanie, Rozpylanie 2, pozostało niezwykle stabilne w okolicach 30 stopni w tym samym zakresie ciśnień, zmieniając się jedynie nieznacznie. Przy najwyższych ciśnieniach pojawiły się też słabe rozpylania wtórne obok głównych, a krawędzie wszystkich strumieni stały się bardziej „zakurzone”, odzwierciedlając chmurę drobniejszych kropelek, która utrudniała wyraźne określenie granic. Oba rozpylania wykazywały znamiona nasycenia kątowego powyżej 3 bar, gdzie dalsze wzrosty ciśnienia przynosiły niewielkie zmiany, ponownie podkreślając ograniczającą rolę wymiarów dyszy.

Co to oznacza dla systemów w świecie rzeczywistym

Dla osób niebędących specjalistami wniosek jest prosty: sposób, w jaki dysza spiralna rozprowadza wodę, silnie zależy od ciśnienia do pewnego momentu, po którym ogranicza go jej kształt. Przy umiarkowanych ciśnieniach dysza ledwie rozpylaja; przy typowych ciśnieniach roboczych stosowanych w gaszeniu pożarów nagle otwiera się na dwa odrębne stożki, przy czym zewnętrzny stożek dramatycznie się poszerza wraz ze wzrostem ciśnienia, podczas gdy wewnętrzny pozostaje wąski i stabilny. W końcu zarówno przepływ, jak i kąty stożków przestają znacząco reagować na dalsze zwiększanie ciśnienia. Te precyzyjne pomiary dostarczają inżynierom wiarygodnych wartości do projektowania bezpieczniejszych systemów gaszenia pożarów i chłodzenia oraz stanowią istotne sprawdzenie wiarygodności symulacji komputerowych, które próbują przewidzieć zachowanie takich dysz w trudnych warunkach.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: dysza spiralna, morfologia rozpylania, tłumienie pożaru, atomizacja, kąt stożka rozpylania