双节距螺旋喷嘴喷雾形态的实验研究

为什么大体积水喷雾很重要

当仓库或工业厂房发生火灾时，需要迅速将大量水送达并覆盖关键区域。安装在泛水系统中的专用喷嘴正是为此设计，将加压水转化为宽广的喷雾覆盖层。然而，对于一种常见的结构——螺旋喷嘴，工程师们对其喷雾随压力变化的形成细节却知之甚少。本研究通过对一种双节距螺旋喷嘴的精密实验观察，揭示了其输水量及喷雾形态如何演化，这对灭火、冷却及其他工业用途具有直接参考价值。

近距离观察这一扭曲的金属构件

螺旋喷嘴是紧凑的一体式金属件，其喷口呈螺旋状。水流沿着螺旋流过时，不会形成简洁的实心射流，而是分解出锥形的液滴锥束。这类喷嘴可承受极高的流量——可达每分钟数千升——并且不易堵塞，对使用硬水或含杂质的水尤为重要。它们已广泛应用于烟气洗涤、喷雾干燥、蒸馏塔，尤其是在需在数秒内释放大量水的泛水灭火系统中。尽管用途广泛，以往多数研究仅测量到最外侧可见的喷雾锥，而对内部结构和压力—流量之间的详细关系探讨甚少。

探查喷雾的隐含结构

研究者关注的是一种具有两种螺距的螺旋喷嘴，这意味着它能够自然地产生多重喷雾。实验在受控测试装置中进行，入口压力在0.2至3.4巴范围内，测量了喷嘴的出水量及各喷雾锥的宽度。采用明亮的LED背光和高品质数码相机在暗背景下捕捉喷雾形态。随后对图像进行边缘检测处理以确定喷雾边界，并计算外层喷雾（称为喷雾1）和内层喷雾（喷雾2）的锥角。质量流量通过称重收集到的水得到，过程中关注测量不确定度与重复性。

随压力上升的三个阶段

喷嘴的行为自然分为三种状态。在非常低的压力（约0.2巴）下，水仅以粗大的液滴滴落，几乎谈不上喷雾。在0.2至1巴之间，流量缓慢增加并形成连续射流而非雾状。在大约1.3巴时，射流进入了接近真正雾化的过渡阶段。一旦入口压力达到约1.6巴，典型的两锥喷雾模式出现：外层锥和较窄的内层锥同时形成。随压力从1.6升至3巴，总质量流量跃升超过十倍。超过3巴后，流量增幅开始趋于平缓，表明喷嘴已接近由其内部几何形状决定的液压饱和点。

两道喷雾，截然不同的响应

双喷雾结构表现出显著的二重性。外层喷雾锥（喷雾1）对压力非常敏感：其锥角在1.6巴时约为64度，而在3.4巴时增至约121度，大幅扩大了润湿面积。相比之下，内层喷雾（喷雾2）在相同压力范围内保持约30度的稳定角度，仅有轻微变化。在最高压力下，主喷雾附近还出现了微弱的二级喷雾，且所有喷雾的边缘变得更“粉状”，反映出更细小液滴形成的雾状云，使边界更难以精确界定。两道喷雾在超过3巴时均显示出角度饱和的迹象，进一步强调了喷嘴几何尺寸的限制作用。

对实际系统的意义

对非专业读者而言，结论很直接：螺旋喷嘴的洒水方式随压力显著变化，但到一定程度后受其形状限制。在较低压力下，喷嘴几乎不产生喷雾；在典型的灭火工作压力下，喷嘴会突然开启为两道明显的锥形喷雾，外锥随压力增加而显著变宽，内锥则保持狭窄稳定。最终，流量和锥角对额外压力的响应趋于平缓。这些精确测量为工程师设计更安全的灭火和冷却系统提供了可靠数据，并为试图模拟此类喷嘴在苛刻条件下行为的计算模型提供了关键的现实校验。

引用: 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

关键词: 螺旋喷嘴, 喷雾形态, 灭火抑制, 雾化, 喷雾锥角