Analyse und Modellierung der Strömung in profilierten Dichtspalten

Innerhalb moderner Kreiselpumpen befinden sich eine Vielzahl von durchströmten Spalten in Form von Gleitlagern und Dichtungen. Diese können sich in Geometrie, einer möglichen Profilierung der Spaltwände sowie den Betriebsbedingungen unterscheiden. In Wissenschaft und Industrie besteht hier bei vielen Anwendungen Bedarf an recheneffizienten Modellen. Besonders geeignet ist dafür das Clearance-Averaged Pressure Model (CAPM), was sich für glatte Spalte bewährt hat. Aus der Literatur ergeben sich zwei wesentliche Forschungslücken: Erstens existiert kein allgemeines, konsistentes Modell für den mit dem Lomakin-Effekt verbundenen Einlassdruckverlust. Zweitens existieren keine validierten und zuverlässigen Modelle für häufig verwendete profilierte Dichtungen. Die Arbeit enthält entsprechend eine Beschreibung des CAPM und der Reibungsmodellierung. Zudem wird die Literatur zur Modellierung von Labyrinthdichtungen und sogenannten Dämpferdichtungen aufgearbeitet. Es wird ein neues verallgemeinertes Modell der Einlassrandbedingungen unter Berücksichtigung des Lomakin-Effektes hergeleitet. Dazu wird eine neue Methodik zur Ermittlung des Einlassdruckverlustkoeffizienten als Umfangsverteilung vorgestellt und für Fälle laminarer und turbulenter Strömung angewendet. Außerdem wird ausgehend von Betrachtungen des ebenen Wandstrahls als generische Grundströmung ein neues Reibungsfaktormodell für Labyrinthdichtungen und eine Dämpferdichtung mit Bohrlochprofil hergeleitet und kalibriert. Das Reibungsfaktormodell wird im Zusammenspiel mit dem CAPM mit experimentellen Ergebnissen für stationäre und dynamische Fälle verglichen. Zudem wird die Modellunsicherheit mittels Monte-Carlo-Verfahren quantifiziert.