Experimentell undersökning av sprutfördelning i tvåstegad spiralmunstycke

Varför stora vattensprayer är viktiga

När ett lager eller en industribyggnad börjar brinna vill man snabbt få ut stora mängder vatten och fördela det där det gör mest nytta. Särskilda munstycken i deluge-system gör just detta genom att omvandla trycksatt vatten till breda sprutmattor. För en vanlig utformning – spiralmunstycket – finns det dock förvånansvärt lite detaljerad data om hur sprayen faktiskt bildas och förändras med ökande tryck. Denna studie tar en noggrann experimentell titt på ett spiralmunstycke med två varvtal för att visa hur mycket vatten det levererar och hur sprayens form utvecklas, med direkt relevans för brandbekämpning, kylning och andra industriella tillämpningar.

Närmare om ett vridet metallverktyg

Spiralmunstycken är kompakt, enstyckiga metalldelar vars spets är formad som en helix. När vatten strömmar förbi spiralen bryts det upp i koniska droppströmmar snarare än en enkel sammanhållen jet. Dessa munstycken klarar mycket höga flöden – upp till tusentals liter per minut – samtidigt som de är motståndskraftiga mot igensättning, vilket är viktigt vid användning av hårt eller smutsigt vatten. De används redan i rökgasrengöring, spraytorkning, destillationskolonner och särskilt i deluge-system för brandbekämpning där stora vattenmängder måste frisättas på några sekunder. Trots denna bredd i användning mätte de flesta tidigare studier endast den yttersta synliga spraykoni, medan inre strukturer och detaljerade tryck–flödes-relationer till stora delar förblev outforskade.

Utforskning av sprayens dolda struktur

Forskarna koncentrerade sig på ett spiralmunstycke med två spiralvarv, vilket innebär att det naturligt kan bilda flera sprayer samtidigt. Med en noggrant kontrollerad provuppställning pumpade de vatten genom munstycket vid ingångstryck från 0,2 till 3,4 bar och mätte hur mycket vatten som kom ut och hur vid varje spraykon blev. Ett starkt LED-bakljus och en högkvalitativ digitalkamera fångade sprayens former mot en mörk bakgrund. Bilderna bearbetades sedan med kantdetekteringsmetoder för att bestämma spraygränserna och beräkna konvinklar för en yttre spray (kallad Spray 1) och en inre spray (Spray 2). Massflödet bestämdes genom att väga det uppsamlade vattnet över tid, med hänsyn till mätosäkerhet och repeterbarhet.

Tre stadier när trycket ökar

Munstyckets beteende delade sig naturligt i tre regimer. Vid mycket lågt tryck (runt 0,2 bar) rann vattnet helt enkelt ut som stora, grova droppar – knappast en spray alls. Mellan 0,2 och 1 bar ökade flödet långsamt och blev en kontinuerlig jet snarare än dimma. Runt 1,3 bar gick jetströmmen in i en övergångsfas precis innan verklig atomisering. När ingångstrycket nådde cirka 1,6 bar framträdde det karaktäristiska mönstret: två distinkta sprayer uppstod, en yttre kon och en smalare inre kon. När trycket steg från 1,6 till 3 bar ökade det totala massflödet med mer än en faktor tio. Över 3 bar började dock flödesökningen planar ut, vilket signalerar att munstycket närmade sig en hydraulisk mättnadspunkt bestämd av dess interna geometri.

Två sprayer, två mycket olika beteenden

Den dubbla spraysstrukturen visade ett påtagligt delat beteende. Den yttre spraykoni, Spray 1, reagerade starkt på tryck: dess vinkel växte från cirka 64 grader vid 1,6 bar till ungefär 121 grader vid 3,4 bar, vilket kraftigt utvidgade det våta området. I kontrast förblev den inre sprayen, Spray 2, anmärkningsvärt stabil kring 30 grader över samma tryckintervall och ändrades bara marginellt. Vid de högsta trycken uppträdde också svaga sekundära sprayer nära de huvud-sprayerna, och kanterna på alla sprayer blev mer "dammiga", vilket återspeglar ett moln av finare droppar som gjorde gränserna svårare att definiera. Båda sprayerna visade tecken på vinkelmättning över 3 bar, där ytterligare tryckökningar gav liten förändring, vilket åter understryker munstyckets dimensions avgörande roll.

Vad detta betyder för verkliga system

För icke-specialister är slutsatsen enkel: hur ett spiralmunstycke sprider vatten beror starkt på trycket upp till en gräns, men begränsas sedan av sin form. Vid måttliga tryck sprayar munstycket knappt; vid typiska drifttryck för brandbekämpning öppnar det plötsligt upp i två distinkta koner, där den yttre konen vidgas dramatiskt med ökande tryck medan den inre förblir smal och stabil. Så småningom slutar både flöde och konvinklar att reagera nämnvärt på ökande tryck. Dessa precisa mätningar ger ingenjörer tillförlitliga siffror för att utforma säkrare system för brandbekämpning och kylning och fungerar som en viktig verklighetskontroll för datorbaserade simuleringar som försöker förutsäga hur sådana munstycken beter sig under krävande förhållanden.

Citering: 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

Nyckelord: spiralmunstycke, sprutfördelning, brandbekämpning, atomisering, spritkonvinkel