Entwicklung von Strahlen aus nichtrunden Düsen mit variierenden Seitenverhältnissen

Warum die Form eines Wasserstrahls wichtig ist

Die moderne Landwirtschaft ist auf Sprinkler angewiesen, um Wasser effizient an die Pflanzen zu bringen, doch nicht alle Sprinkler sind gleich. Diese Studie untersucht, wie die Veränderung der Form der kleinen Öffnungen – genannt Düsen – durch die das Wasser strömt, das Zerfallen des Wasserstrahls in Tropfen und die Gleichmäßigkeit des Niederschlags deutlich beeinflussen kann. Das Verständnis dieses verborgenen Verhaltens in jedem Sprinkler kann Landwirten helfen, Wasser zu sparen, Erträge zu steigern und intelligentere Bewässerungssysteme zu entwickeln.

Unterschiedliche Öffnungen, unterschiedliche Wasserfächer

Die Forschenden begannen mit einem gebräuchlichen Feldsprinkler und entwarfen dessen Düsen auf drei Arten neu: rund, diamantförmig und elliptisch (oval). Obwohl alle Varianten so ausgelegt waren, dieselbe Durchflussmenge zu liefern, wurden ihre inneren Formen und das Verhältnis zwischen langer und kurzer Abmessung (das Seitenverhältnis) sorgfältig variiert. Mit Hochgeschwindigkeitskameras, die 10.000 Bilder pro Sekunde aufnehmen, filmte das Team, wie die Wasserstrahlen jede Düse verließen und sich in die Luft ausbreiteten. Zusätzlich erstellten sie detaillierte Computersimulationen, um nachzuverfolgen, wie sich der Strahl beim Entfernen von der Düse veränderte.

Verborgene Schichten und Filme aus Wasser

Wenn Wasser eine nichtrunde Düse verlässt, bildet es keinen glatten, runden Strom. Stattdessen sammelt sich die Strömung oft an Stellen der Öffnung, an denen die Krümmung am stärksten ist – etwa an den Ecken einer Raute oder den „Spitzen“ einer Ellipse. In diesen Bereichen kann sich der Strahl zu dünnen Flüssigkeitsfilmen ausdünnen. Die Studie zeigte, dass diese Filme am ehesten entlang der kurzen Achse des Strahls auftreten, wo die Dicke am geringsten ist. Elliptische Strahlen mit höherem Seitenverhältnis (sehr lange und schmale Öffnungen) erzeugten sichtbarer ausgeprägte Flüssigkeitsfilme, insbesondere bei geringeren Strahlgeschwindigkeiten. Diamantförmige Düsen mit ihren scharfen Ecken bildeten die ausgeprägtesten Filme und die breitesten Sprühwinkel, während runde Düsen die schmalsten, kompaktesten Strahlen erzeugten.

Wenn ein Strahl sich verdreht und seine Achsen tauscht

Eines der interessantesten beobachteten Phänomene nennt sich Achsenwechsel. Während ein nichtrunder Strahl sich fortbewegt, kann sein Querschnitt periodisch so gestreckt und zusammengedrückt werden, dass seine lange und seine kurze Seite die Plätze tauschen. Die Autor:innen gliederten diese Entwicklung in vier Stadien: unvollständiger Achsenwechsel, vollständiger Achsenwechsel, ein instabiles Stadium und das endgültige Zerbrechen in Tropfen. Zunächst konkurrieren Oberflächenspannung und seitliche Bewegungen innerhalb des Strahls, formen ihn aber nur teilweise um. Weiter außen wird diese Bewegung so stark, dass sie die langen und kurzen Richtungen des Strahls vollständig umklappt, manchmal mehrfach. Diamantförmige Strahlen und elliptische Strahlen mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen zeigten charakteristische Muster, wo dieser erste vollständige Umschwung stattfand und wie oft er sich wiederholte, gesteuert durch wirbelartige Strukturen in der Strömung, sogenannte gepaarte Wirbel.

Von glatten Strömen zu Sprühnebel und Tropfen

Schließlich erreichen alle Strahlen einen Punkt, an dem sie instabil werden und in Tropfen zerfallen – das Stadium, das für die Bewässerung wirklich entscheidend ist. Der Abstand von der Düse bis zum ersten Zerbruchs­punkt, bekannt als Zerfalls­länge, erwies sich als sehr empfindlich gegenüber Düsenform und Seitenverhältnis. In den Experimenten erzeugten Diamantdüsen längere kohärente Strahlen als elliptische, während unter den elliptischen Düsen kleinere Seitenverhältnisse (weniger gestreckte Formen) zu längeren, ruhigeren Strahlen mit weniger Oberflächenstörungen führten. Höhere Seitenverhältnisse verursachten stärkere Störungen, ausgeprägteren Achsenwechsel und frühere Fragmentierung. Die Simulationen stimmten gut mit den gemessenen Zerfallslängen überein und unterstützen den Einsatz fortschrittlicher Strömungsmodelle (VOF–LES), um bessere Düsen zu entwerfen, ohne aufwendige Feldtests durchführen zu müssen.

Was das für intelligentere Sprinkler bedeutet

Für Laien ist die Kernbotschaft, dass die Kontur einer Düsenöffnung – ob rund, diamantförmig oder oval und wie stark dieses Oval gestreckt ist – einen großen Einfluss darauf hat, wie Wasserstrahlen sich in der Luft verhalten. Diese feinen Unterschiede bestimmen, wie lange der Strahl zusammenhält, wo er in Tropfen zerfällt, wie gleichmäßig das Wasser verteilt wird und wie effizient Energie genutzt wird. Durch das Abstimmen von Düsenform und Seitenverhältnis, um nützliche Achsenwechsel und kontrolliertes Zerbrechen zu fördern, können Ingenieur:innen Sprinkler entwickeln, die Wasser bei geringeren Drücken gleichmäßiger verteilen. Das führt zu besserer Pflanzenbedeckung, weniger Wasserverlust und nachhaltigeren Bewässerungssystemen.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Sprinklerbewässerung, Wasserstrahlen, Düsenform, Zerstäubung des Strahls, Achsenwechsel