Эволюция струй, формируемых некруглыми соплами с разными коэффициентами аспекта

Почему форма водяной струи важна

Современное сельское хозяйство полагается на разбрызгиватели, чтобы эффективно доставлять воду к посевам, но не все разбрызгиватели одинаковы. В этом исследовании изучается, как изменение формы крошечных отверстий — сопел, через которые проходит вода — может драматически менять то, как струя распадается на капли и насколько равномерно эти капли падают на землю. Понимание этого скрытого поведения внутри каждого разбрызгивателя помогает фермерам экономить воду, повышать урожайность и проектировать более умные системы орошения.

Разные отверстия — разные веера воды

Исследователи взяли типичный сельскохозяйственный разбрызгиватель и переделали его сопла тремя способами: круглым, ромбовидным и эллиптическим (овальным). Хотя все версии были спроектированы для одинаковой расходной способности, их внутренние формы и соотношение длинной и короткой осей (коэффициент аспекта) строго варьировались. С помощью высокоскоростных камер, снимающих 10 000 кадров в секунду, команда записывала, как струи выходили из каждого сопла и распространялись в воздухе. Также были выполнены подробные компьютерные моделирования, отслеживающие изменение формы струи по мере удаления от сопла.

Скрытые пленки и пленочки воды

Когда вода выходит из некруглого сопла, она не образует гладкую круглую струю. Поток имеет тенденцию собираться в областях отверстия с наибольшей кривизной — например, в углах ромба или на «вершинах» эллипса. В этих местах струя может истончаться в тонкие жидкие пленки. Исследование показало, что эти пленки наиболее охотно образуются вдоль короткой оси струи, где ее толщина минимальна. Эллиптические струи с большим коэффициентом аспекта (очень длинные и узкие отверстия) давали более заметные жидкие пленки, особенно при меньших скоростях струи. Ромбовидные сопла с острыми углами формировали наиболее выраженные пленки и самые широкие углы распыла, в то время как круглые сопла давали наиболее узкие, компактные струи.

Когда струя закручивается и меняет оси местами

Одно из самых любопытных наблюдаемых явлений называют сменой осей. По мере движения некруглой струи ее поперечное сечение периодически растягивается и сжимается так, что длинная и короткая стороны меняются местами. Авторы разделили эту эволюцию на четыре стадии: неполная смена осей, полная смена осей, нестабильная стадия и окончательный распад на капли. На ранних этапах поверхностное натяжение и боковые движения внутри струи конкурируют, но лишь частично меняют её форму. Дальше этот движение становится достаточно сильным, чтобы полностью перевернуть длинное и короткое направления струи, иногда повторяясь несколько раз. Ромбовидные струи и эллиптические струи с разными коэффициентами аспекта демонстрировали различные закономерности в том, где происходил первый полный переворот и как часто он повторялся; это контролировалось завихренными структурами потока, называемыми парными вихрями.

От гладких струй к распылу и каплям

В конце концов все струи достигают точки, где становятся неустойчивыми и распадаются на капли — стадия, имеющая решающее значение для орошения. Расстояние от сопла до первой точки распада, известное как длина распада, оказалось очень чувствительным к форме сопла и коэффициенту аспекта. В экспериментах ромбовидные сопла давали более длинные когерентные струи, чем эллиптические, тогда как среди эллиптических сопел меньшие коэффициенты аспекта (менее вытянутые формы) приводили к более длинным, спокойным струям с меньшим числом поверхностных возмущений. Большие коэффициенты аспекта вызывали более сильные возмущения, более выраженную смену осей и более раннюю фрагментацию. Моделирование хорошо согласовывалось с измеренными длинами распада, что подтверждает применимость продвинутых моделей течения (VOF–LES) для проектирования лучших сопел без необходимости исчерпывающих полевых испытаний.

Что это значит для более умных разбрызгивателей

Для неспециалиста ключевое сообщение таково: контур отверстия сопла — круглый, ромбовидный или овальный, и степень растянутости овала — существенно влияет на то, как струи воды ведут себя в воздухе. Эти тонкие различия определяют, как долго струя сохраняет целостность, где она распадается на капли, насколько равномерно распределяется вода и насколько эффективно используется энергия. Подбирая форму сопла и коэффициент аспекта для стимулирования полезной смены осей и контролируемого распада, инженеры могут проектировать разбрызгиватели, которые распределяют воду более равномерно при меньших давлениях. Это означает лучшее покрытие посевов, меньше потерь воды и более устойчивые системы орошения.

Цитирование: Haiyan, Z., Wen, W., Yukun, Z. et al. Evolution of jets generated by noncircular nozzles with varying aspect ratios. Sci Rep 16, 5776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36648-2

Ключевые слова: орошение разбрызгивателями, струи воды, форма сопла, распад струи, смена осей