Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Considerate le sfide pratiche e le limitazioni associate alla conduzione di esperimenti distruttivi su grandi motori diesel marini, la simulazione numerica è emersa come un metodo critico per chiarire i meccanismi di guasto delle fasce elastiche e compensare la scarsità di dati sperimentali. Concentrandosi sul sistema composto da fascia elastica, pistone e camicia del cilindro, questo studio stabilisce un modello accoppiato che integra un dominio fluido 2D con una struttura 3D della fascia elastica. La soluzione tiene conto delle interazioni multifisiche che coinvolgono fattori termici, fluidodinamici e strutturali. A differenza delle convenzionali analisi fluidodinamiche standalone, questo modello incorpora la viscosità dei gas dipendente da temperatura e pressione, il modello di turbolenza k−ϵ e la deformazione strutturale della fascia elastica sotto carico in un quadro computazionale unificato, al fine di simulare il complesso ambiente fisico all’interno del cilindro.
Innanzitutto, confrontando le prestazioni delle fasce elastiche sia in stato di integrità che di usura, lo studio indaga l’evoluzione della micro-deformazione e il campo di flusso della perdita di gas (gas leakage), esplorando al contempo le caratteristiche non lineari della fluidodinamica. I risultati della simulazione indicano che, anche in uno stato normale, il profilo della sezione trasversale della fascia elastica subisce una significativa deformazione elastica nel momento di massima pressione di combustione. Quando si verifica l’usura a causa del fallimento della lubrificazione, l’ampliamento del gap di usura compromette le prestazioni di tenuta; tuttavia, la simulazione rivela che la velocità locale di perdita di gas e la pressione mostrano una tendenza al ribasso, con un tasso di declino che decelera gradualmente. Questi risultati sono dimostrati visivamente attraverso mappe di contorno (contours) di velocità e pressione, fornendo una nuova prospettiva per comprendere i meccanismi di perdita indotti dall’usura.
Inoltre, lo studio identifica l’incollaggio delle fasce elastiche (piston ring sticking) come una potenziale causa primaria dell’anomalo innalzamento della pressione locale all’interno del cilindro, con un potenziale distruttivo di gran lunga superiore a quello dell’usura. Quando i depositi carboniosi ad alta temperatura bloccano la fascia elastica all’interno della sua sede (groove), impedendone il movimento libero, il percorso del flusso di gas viene ostruito, causando un picco improvviso nella pressione inter-anulare. I dati della simulazione mostrano che la pressione massima del gas in condizioni di sticking sale da una linea di base di 5.27 MPa a 11.92 MPa. Tali drastiche fluttuazioni di pressione e l’aumento delle cadute di pressione sono fattori critici che contribuiscono al guasto della camicia del cilindro. Questa ricerca visualizza il campo di flusso all’interno del cilindro (in-cylinder flow field), fornendo dati teorici preliminari a supporto della diagnostica dei guasti nei motori diesel marini.
Riferimenti:
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:
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booktitle = {2024 International Conference on Industrial Automation and Robotics (IAR)},
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