Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Ввиду практических трудностей и ограничений, связанных с проведением разрушающих испытаний крупных судовых дизельных двигателей, численное моделирование стало важнейшим методом для выявления механизмов отказа поршневых колец и восполнения дефицита экспериментальных данных. В данном исследовании, сосредоточенном на системе «поршневое кольцо – поршень – гильза цилиндра», построена сопряженная модель, объединяющая двумерную (2D) область текучей среды с трехмерной (3D) структурой поршневого кольца. Решение учитывает мультифизические взаимодействия, включающие тепловые, гидродинамические и структурные факторы. В отличие от традиционного изолированного анализа гидродинамики, данная модель интегрирует в единую расчетную схему зависимость вязкости газов от температуры и давления, k-ε модель турбулентности, а также деформацию поршневого кольца под нагрузкой, что позволяет имитировать сложную физическую среду внутри цилиндра.
Во-первых, путем сравнения рабочих характеристик поршневых колец в новом и изношенном состояниях, в исследовании рассматривается эволюция микродеформаций и поля течения при прорыве газов, а также исследуются нелинейные характеристики гидродинамики. Результаты моделирования показывают, что даже в штатном (нормальном) состоянии профиль поперечного сечения поршневого кольца претерпевает значительную упругую деформацию в момент достижения максимального давления сгорания. При возникновении износа вследствие нарушения смазки увеличение зазора ухудшает уплотнительные свойства; однако моделирование выявило, что локальная скорость прорыва газов и давление демонстрируют тенденцию к снижению, причем темп этого снижения постепенно замедляется. Эти выводы наглядно подтверждаются визуализированными контурами скорости и давления, открывая новый взгляд на механизмы утечек, вызванных износом.
Кроме того, в исследовании определено, что залегание (закоксовывание) поршневого кольца является потенциальной основной причиной аномального локального повышения давления в цилиндре, обладающей разрушительным потенциалом, значительно превышающим последствия износа. Когда высокотемпературные углеродистые отложения блокируют поршневое кольцо в канавке, препятствуя его свободному перемещению, путь потока газа перекрывается, что вызывает резкий скачок межкольцевого давления. Данные моделирования показывают, что максимальное давление газа в условиях залегания возрастает с базового уровня 5.27 МПа до 11.92 МПа. Столь резкие флуктуации давления и увеличение перепадов давления являются критическими факторами, способствующими выходу из строя гильзы цилиндра. Данное исследование визуализирует поле течения внутри цилиндра, предоставляя предварительные теоретические данные для поддержки диагностики неисправностей судовых дизельных двигателей.
Литература:
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}
}