Experimenteel onderzoek naar sproeivorm bij dubbele spoed spiraalnozzle

Waarom grote watersproeiingen ertoe doen

Wanneer een magazijn of industriegebouw in brand staat, wilt u snel veel water afleveren en dat op de juiste plekken verspreiden. Speciale nozzles in deluge-systemen doen precies dat: ze zetten onder druk staand water om in brede lakens van spray. Voor een veelvoorkomend ontwerp — de spiraalnozzle — is er echter verrassend weinig gedetailleerde informatie over hoe die sprays zich precies vormen en veranderen bij oplopende druk. Deze studie neemt een nauwkeurig experimenteel kijkje bij een dubbele-spoed spiraalnozzle om te laten zien hoeveel water hij levert en hoe de sproeivorm evolueert, met directe relevantie voor brandbestrijding, koeling en andere industriële toepassingen.

Een nadere blik op een gedraaide metalen tool

Spiraalnozzles zijn compacte, monolithische metalen hulpstukken waarvan de punt een helixvorm heeft. Terwijl water langs de spiraal stroomt, breekt het op in kegels van druppels in plaats van een eenvoudige continue straal. Deze nozzles kunnen zeer hoge debieten verwerken — tot duizenden liters per minuut — en zijn bestand tegen verstopping, wat cruciaal is bij hard of vervuild water. Ze worden al toegepast in reiniging van rookgassen, sproeidroging, distillatiekolommen en vooral in deluge-brandbeveiligingssystemen waar in enkele seconden een waterstroom moet worden vrijgegeven. Ondanks dit brede gebruik hebben eerdere studies meestal alleen de buitenste zichtbare sproeikegel gemeten, waardoor de interne structuren en gedetailleerde druk‑debietrelaties grotendeels onontgonnen zijn gebleven.

Het verborgen structuur van de spray onderzoeken

De onderzoekers richtten zich op een spiraalnozzle met twee spiraalspoeden, wat betekent dat hij van nature meerdere sprays tegelijk kan vormen. Met een zorgvuldig gecontroleerde testopstelling pompten ze water door de nozzle bij inlaatdrukken van 0,2 tot 3,4 bar en maten ze zowel het uitgaande debiet als de breedte van elke sproeikegel. Een felle LED-achtergrondverlichting en een hoogwaardige digitale camera namen de sproeivormen op tegen een donker achtergrond. De beelden werden vervolgens verwerkt met randdetectietechnieken om de sproeigrenzen vast te leggen en de kegelhoeken te berekenen voor een buitenste spray (Spray 1 genoemd) en een binnenste spray (Spray 2). De massastroomsnelheid werd bepaald door het opgevangen water in de tijd te wegen, met aandacht voor meetonzekerheid en herhaalbaarheid.

Drie fasen bij oplopende druk

Het gedrag van de nozzle viel natuurlijk uiteen in drie regimes. Bij zeer lage druk (ongeveer 0,2 bar) lekte het water gewoon als grote, grove druppels — nauwelijks een spray. Tussen 0,2 en 1 bar nam de stroming langzaam toe en werd een continue straal in plaats van een mist. Rond 1,3 bar kwam de straal in een overgangsfase vlak voordat echte verneveling plaatsvond. Zodra de inlaatdruk ongeveer 1,6 bar bereikte, verscheen het kenmerkende patroon: twee duidelijke sprays ontstonden, een buitenste kegel en een smallere binnenste kegel. Terwijl de druk steeg van 1,6 naar 3 bar, nam de totale massastroom toe met meer dan een factor tien. Boven 3 bar begon de toename in debiet echter af te vlakken, wat aangeeft dat de nozzle een hydraulisch verzadigingspunt nadert dat wordt bepaald door zijn interne geometrie.

Twee sprays, twee totaal verschillende gedragingen

De dubbele-spraystructuur toonde een opvallende gespleten persoonlijkheid. De buitenste sproeikegel, Spray 1, reageerde sterk op druk: de hoek groeide van ongeveer 64 graden bij 1,6 bar tot circa 121 graden bij 3,4 bar, waardoor het bevochtigde oppervlak sterk toenam. Daartegenover bleef de binnenste spray, Spray 2, opmerkelijk stabiel rond de 30 graden over hetzelfde drukbereik, met slechts geringe veranderingen. Bij de hoogste drukken verschenen ook vage secundaire sprays nabij de hoofdones en werden de randen van alle sprays meer “stoffig”, wat duidt op een wolk van fijnere druppels die de grenzen moeilijker definieerbaar maakte. Beide sprays toonden tekenen van hoekverzadiging boven 3 bar, waarbij verdere drukverhogingen weinig verandering opleverden, wat opnieuw de beperkende rol van de nozzle-afmetingen benadrukt.

Wat dit betekent voor systemen in de praktijk

Voor niet‑specialisten is de conclusie helder: hoe een spiraalnozzle water verspreidt hangt sterk van de druk af tot een zekere grens, waarna de vorm wordt begrensd door de geometrie. Bij bescheiden drukken sproeit de nozzle nauwelijks; bij typische bedrijfspressures voor brandbeheersing opent hij plotseling in twee onderscheidende kegels, waarbij de buitenste kegel bij drukstijging sterk uitwaaiert en de binnenste kegel smal en constant blijft. Uiteindelijk reageren zowel debiet als kegelhoeken nauwelijks meer op extra druk. Deze precieze metingen geven ingenieurs betrouwbare cijfers voor het ontwerpen van veiligere brandbestrijdings‑ en koelsystemen en vormen een belangrijke toets voor computersimulaties die proberen te voorspellen hoe dergelijke nozzles zich onder zware omstandigheden gedragen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: spiraalnozzle, sproeivorm, brandbeheersing, verneveling, sproeikonshoek