Экспериментальное исследование морфологии распыла в спиральной насадке с двойным шагом

Почему крупные водяные распыления важны

Когда на складе или на промышленном объекте возникает пожар, важно быстро доставить большое количество воды и равномерно распределить её там, где это необходимо. Специальные насадки, установленные в системах заливки, делают именно это, превращая под давлением воду в широкие покровы распыла. Однако для одной распространённой конструкции — спиральной насадки — у инженеров поразительно мало детальных данных о том, как формируются её факелы распыла и как они меняются с ростом давления. В этом исследовании представлен тщательный экспериментальный анализ спиральной насадки с двойным шагом, показывающий, сколько воды она подаёт и как изменяется форма распыла, с прямым прикладным значением для пожаротушения, охлаждения и других промышленных задач.

Ближе к закрученной металлической детали

Спиральные насадки — это компактные цельнометаллические детали с наконечником в виде винтовой линии. Когда вода проходит вдоль спирали, поток распадается на конусы капель, а не остаётся в виде твёрдой струи. Такие насадки выдерживают очень большие расходные показатели — до тысяч литров в минуту — и при этом менее подвержены засорению, что критично при использовании твёрдой или загрязнённой воды. Они уже применяются в очистке дымовых газов, распылительной сушке, колоннах перегонки и особенно в системах заливки для пожаротушения, где поток воды должен быть выпущен за считанные секунды. Несмотря на широкое применение, большинство предыдущих работ измеряли лишь внешний видимый конус распыла, оставляя внутренние структуры и детальные зависимости расход–давление в значительной степени неизученными.

Исследование скрытой структуры распыла

Исследователи сосредоточились на спиральной насадке с двумя шагами спирали, что позволяет ей естественным образом формировать несколько факелов распыла одновременно. В контролируемой испытательной установке воду подавали при давлениях на входе от 0,2 до 3,4 бар и измеряли как расход, так и ширину каждого конуса распыла. Яркая светодиодная подсветка сзади и качественная цифровая камера фиксировали форму распыла на тёмном фоне. Снимки затем обрабатывались методами детектирования краёв для определения границ распыла и вычисления углов конусов для внешнего распыла (обозначенного как Распыл 1) и внутреннего распыла (Распыл 2). Массопоток определяли по взвешиванию собранной воды во времени с учётом неопределённости измерений и воспроизводимости.

Три стадии при увеличении давления

Поведение насадки естественно разделилось на три режима. При очень низком давлении (около 0,2 бар) вода просто капала большими грубыми каплями — распыл практически отсутствовал. В диапазоне от 0,2 до 1 бар поток увеличивался медленно и становился непрерывной струёй, а не туманом. Примерно при 1,3 бар струя входила в переходную стадию, непосредственно перед истинной атомизацией. Когда давление на входе достигало около 1,6 бар, проявлялся характерный рисунок: образовывались два различных факела — внешний конус и более узкий внутренний конус. По мере роста давления от 1,6 до 3 бар общий массовый расход увеличивался более чем в десять раз. При давлениях выше 3 бар рост расхода стал замедляться, что указывает на приближение гидравлической насыщенности, определяемой внутренней геометрией насадки.

Два распыла — два совершенно разных поведения

Структура с двумя факелами проявила ярко выраженное раздвоение характеристик. Внешний конус распыла, Распыл 1, сильно реагировал на давление: его угол увеличивался примерно от 64 градусов при 1,6 бар до примерно 121 градуса при 3,4 бар, существенно расширяя намокаемую площадь. В отличие от него внутренний распыл, Распыл 2, оставался удивительно стабильным — около 30 градусов в том же диапазоне давлений, меняясь лишь незначительно. При самых высоких давлениях также появлялись слабые вторичные факелы рядом с основными, а границы всех распылов становились более «пыльными», что отражало облако более тонких капель, усложнявшее определение краёв. Оба факела демонстрировали признаки насыщения угла выше 3 бар, при котором дальнейшее увеличение давления давало мало изменений, ещё раз подчёркивая ограничивающую роль геометрии насадки.

Что это значит для реальных систем

Для неспециалистов вынос прост: то, как спиральная насадка распределяет воду, сильно зависит от давления до определённого предела, после чего доминирует её форма. При небольших давлениях насадка почти не распыляет; при типичных рабочих давлениях для пожаротушения она внезапно раскрывается в два отдельных конуса: внешний конус заметно расширяется с ростом давления, тогда как внутренний остаётся узким и стабильным. В конце концов и расход, и углы конусов перестают значительно реагировать на дополнительное давление. Эти точные измерения дают инженерам надёжные численные данные для проектирования более безопасных систем пожаротушения и охлаждения и служат важной проверкой над компьютерными моделями, которые стремятся предсказать поведение таких насадок в жёстких условиях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: спиральная насадка, морфология распыла, тушение пожара, атомизация, угол конуса распыла