Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Wobec praktycznych wyzwań i ograniczeń związanych z prowadzeniem badań niszczących na dużych okrętowych silnikach Diesla (marine diesel engines), symulacja numeryczna stała się kluczową metodą wyjaśniania mechanizmów uszkodzeń pierścieni tłokowych oraz uzupełniania niedoborów danych eksperymentalnych. Koncentrując się na układzie pierścień-tłok-tuleja cylindrowa, w niniejszym opracowaniu zbudowano model sprzężony, integrujący dwuwymiarową domenę płynu z trójwymiarową strukturą pierścienia tłokowego. Rozwiązanie to uwzględnia oddziaływania wielofizyczne (multi-physics interactions), obejmujące czynniki termiczne, przepływowe i strukturalne. W odróżnieniu od konwencjonalnych analiz ograniczonych wyłącznie do dynamiki płynów, model ten włącza do jednolitego środowiska obliczeniowego lepkość gazów zależną od temperatury i ciśnienia, model turbulencji k−ϵ oraz odkształcenia strukturalne obciążonego pierścienia, co pozwala na wierną symulację złożonego środowiska fizycznego wewnątrz cylindra.
W pierwszej kolejności, poprzez porównanie pracy pierścieni w stanie nominalnym (niezużytym) oraz zużytym, zbadano ewolucję mikrozniekształceń oraz pole przepływu przedmuchu gazów (gas leakage), analizując jednocześnie nieliniową charakterystykę dynamiki płynów. Wyniki symulacji wskazują, że nawet w stanie normalnym profil poprzeczny pierścienia ulega znacznemu odkształceniu sprężystemu w momencie wystąpienia maksymalnego ciśnienia spalania. Gdy dochodzi do zużycia wskutek awarii smarowania, powiększenie szczeliny pogarsza właściwości uszczelniające; jednakże symulacja ujawnia, że lokalna prędkość przedmuchu i ciśnienie wykazują tendencję spadkową, przy czym tempo tego spadku stopniowo maleje. Ustalenia te zostały zobrazowane za pomocą konturowych map prędkości i ciśnienia, dostarczając nowej perspektywy dla zrozumienia mechanizmów nieszczelności wywołanych zużyciem.
Ponadto w badaniu zidentyfikowano zapiekanie się pierścieni tłokowych (piston ring sticking) jako potencjalną główną przyczynę nienormalnego lokalnego wzrostu ciśnienia w cylindrze, o potencjale niszczącym znacznie przewyższającym skutki zwykłego zużycia. Gdy wysokotemperaturowe osady węglowe (nagary) blokują pierścień w rowku, uniemożliwiając jego swobodny ruch, ścieżka przepływu gazu zostaje ograniczona, co powoduje gwałtowny skok ciśnienia w przestrzeni międzypierścieniowej. Dane symulacyjne pokazują, że w warunkach zapieczenia maksymalne ciśnienie gazu wzrasta z poziomu bazowego 5.27 MPa do 11.92 MPa. Tak drastyczne wahania ciśnienia i zwiększone spadki ciśnienia są czynnikami krytycznymi przyczyniającymi się do uszkodzeń tulei cylindrowej. Niniejsze badania wizualizują pole przepływu wewnątrz cylindra, dostarczając wstępnych danych teoretycznych wspierających diagnostykę uszkodzeń okrętowych silników Diesla.
References:
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}
}