Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Compte tenu des défis pratiques et des limites inhérents à la réalisation d’essais destructifs sur de grands moteurs diesel marins, la simulation numérique s’est imposée comme une méthode essentielle pour élucider les mécanismes de défaillance des segments de piston et pallier le manque de données expérimentales. En se concentrant sur le système segment-piston-chemise, cette étude établit un modèle couplé intégrant un domaine fluide 2D à une structure de segment 3D. La solution prend en compte les interactions multiphysiques impliquant des facteurs thermiques, fluidiques et structurels. Contrairement aux analyses conventionnelles purement fluidiques, ce modèle intègre la viscosité des gaz dépendante de la température et de la pression, le modèle de turbulence k-ϵ, ainsi que la déformation structurelle du segment sous charge dans un cadre de calcul unifié, afin de simuler l’environnement physique complexe au sein du cylindre.
Dans un premier temps, en comparant les performances des segments à l’état neuf et à l’état usé, l’étude examine l’évolution de la micro-déformation et du champ d’écoulement des fuites de gaz, tout en explorant les caractéristiques non linéaires de la dynamique des fluides. Les résultats de la simulation indiquent que, même à l’état normal, le profil transversal du segment subit une déformation élastique significative au moment de la pression de combustion maximale. Lorsque l’usure survient en raison d’un défaut de lubrification, l’élargissement de l’interstice d’usure compromet l’étanchéité ; cependant, la simulation révèle que la vitesse locale de fuite de gaz et la pression affichent une tendance à la baisse, avec un taux de diminution qui décélère progressivement. Ces résultats sont illustrés par des contours de vitesse et de pression, offrant une nouvelle perspective pour la compréhension des mécanismes de fuite induits par l’usure.
Par ailleurs, l’étude identifie le gommage des segments (piston ring sticking) comme une cause majeure potentielle d’élévation anormale de la pression locale dans le cylindre, présentant un potentiel destructeur bien supérieur à celui de l’usure. Lorsque des dépôts de calamine à haute température bloquent le segment dans sa gorge, empêchant tout mouvement libre, le passage du gaz est obstrué, provoquant une augmentation brutale de la pression inter-segments. Les données de simulation montrent que la pression maximale du gaz dans des conditions de gommage bondit d’une valeur de référence de 5.27 MPa à 11.92 MPa. De telles fluctuations drastiques de pression, accompagnées de chutes de pression accrues, sont des facteurs critiques contribuant à la défaillance de la chemise du cylindre. Cette recherche permet de visualiser le champ d’écoulement interne du cylindre, fournissant ainsi des données théoriques préliminaires pour soutenir le diagnostic de pannes des moteurs diesel marins.
Références:
Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui. Numerical simulation of piston rings in marine diesel engines considering thermal-fluid-structure factors: From normal to gas leakage conditions. In 2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR 2024), October 18–20, 2024, Singapore, Singapore. ACM, New York, NY, USA, 7 pages.
https://dl.acm.org/doi/10.1145/3707402.3707412
BibTeX:
@inproceedings{Luo2024,
author = {Congcong Luo and Minghang Zhao and Song Fu and Yan Zhang and Yan Han and Qingqing Huang and Zhiquan Cui},
title = {Numerical simulation of piston rings in marine diesel engines considering thermal-fluid-structure factors: From normal to gas leakage conditions},
booktitle = {2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR)},
year = {2024},
pages = {51--57},
publisher = {ACM},
doi = {10.1145/3707402.3707412}
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