Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
I lyset af de praktiske udfordringer og begrænsninger, der er forbundet med at udføre destruktive eksperimenter på store marinedieselmotorer, er numerisk simulering blevet en afgørende metode til at klarlægge fejlmekanismer i stempelringe og kompensere for manglen på eksperimentelle data. Med fokus på systemet bestående af stempelring, stempel og cylinderforing etablerer dette studie en koblet model, der integrerer et 2D-fluiddomæne med en 3D-stempelringstruktur. Løsningen tager højde for multifysiske interaktioner, der involverer termiske, fluidmekaniske og strukturelle faktorer. I modsætning til konventionelle, enkeltstående fluidanalyser inkorporerer denne model gassers temperatur- og trykafhængige viskositet, k-ϵ turbulensmodellen samt stempelringens strukturelle deformation under belastning i en samlet beregningsramme for at simulere det komplekse fysiske miljø i cylinderen.
For det første undersøger studiet udviklingen af mikrodeformation og gaslækagens strømningsfelt ved at sammenligne stempelringes ydeevne i både ikke-slidt og slidt tilstand, samtidig med at fluiddynamikkens ikke-lineære egenskaber udforskes. Simuleringsresultaterne indikerer, at stempelringens tværsnitsprofil selv i normal tilstand undergår betydelig elastisk deformation i det øjeblik, forbrændingstrykket er maksimalt. Når der opstår slid som følge af smøresvigt, kompromitterer udvidelsen af slidspalten tætningsevnen; simuleringen afslører dog, at den lokale gaslækagehastighed og trykket udviser en faldende tendens, hvor faldraten gradvist aftager. Disse fund demonstreres visuelt gennem hastigheds- og trykkonturer, hvilket giver et nyt perspektiv til forståelse af slidinducerede lækagemekanismer.
Ydermere identificerer studiet fastklemning af stempelringen (sticking) som en potentiel primær årsag til unormal lokal trykstigning i cylinderen, med et destruktivt potentiale, der langt overgår slid. Når kulstofaflejringer ved høj temperatur begrænser stempelringen i rillen og forhindrer fri bevægelse, blokeres gasstrømningsvejen, hvilket forårsager en kraftig stigning i trykket mellem ringene. Simuleringsdata viser, at det maksimale gastryk under fastklemning stiger voldsomt fra et udgangspunkt på 5.27 MPa til 11.92 MPa. Sådanne drastiske trykudsving og øgede trykfald er kritiske faktorer, der bidrager til svigt i cylinderforingen. Denne forskning visualiserer strømningsfeltet i cylinderen og tilvejebringer foreløbige teoretiske data til understøttelse af fejldiagnosticering af marinedieselmotorer.
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}
}