Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Δεδομένων των πρακτικών προκλήσεων και των περιορισμών που συνδέονται με τη διεξαγωγή καταστροφικών πειραμάτων σε μεγάλους ναυτικούς πετρελαιοκινητήρες, η αριθμητική προσομοίωση έχει αναδειχθεί ως μια κρίσιμη μέθοδος για τη διαλεύκανση των μηχανισμών αστοχίας των ελατηρίων εμβόλου και για την αντιστάθμιση της έλλειψης πειραματικών δεδομένων. Εστιάζοντας στο σύστημα ελατηρίου, εμβόλου και χιτωνίου κυλίνδρου, η παρούσα μελέτη καθιερώνει ένα συζευγμένο μοντέλο που ενσωματώνει ένα δισδιάστατο (2D) πεδίο ρευστού με μια τρισδιάστατη (3D) δομή ελατηρίου. Η επίλυση λαμβάνει υπόψη πολυφυσικές αλληλεπιδράσεις (multi-physics interactions) που περιλαμβάνουν θερμικούς, ρευστοδυναμικούς και δομικούς παράγοντες. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεμονωμένες αναλύσεις ρευστών, αυτό το μοντέλο ενσωματώνει το εξαρτώμενο από τη θερμοκρασία και την πίεση ιξώδες των αερίων, το μοντέλο τύρβης k-ϵ, καθώς και τη δομική παραμόρφωση του ελατηρίου υπό φορτίο σε ένα ενιαίο υπολογιστικό πλαίσιο, προκειμένου να προσομοιωθεί το πολύπλοκο φυσικό περιβάλλον εντός του κυλίνδρου.
Αρχικά, συγκρίνοντας την απόδοση των ελατηρίων εμβόλου τόσο σε κατάσταση χωρίς φθορά όσο και με φθορά, η μελέτη διερευνά την εξέλιξη της μικρο-παραμόρφωσης και το πεδίο ροής διαρροής αερίων, ενώ παράλληλα εξετάζει τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά της ρευστοδυναμικής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης υποδεικνύουν ότι, ακόμη και σε κανονική κατάσταση, η διατομή του ελατηρίου υφίσταται σημαντική ελαστική παραμόρφωση τη στιγμή της μέγιστης πίεσης καύσης. Όταν προκύπτει φθορά λόγω αστοχίας της λίπανσης, η διεύρυνση του διακένου φθοράς υποβαθμίζει την στεγανοποιητική απόδοση· ωστόσο, η προσομοίωση αποκαλύπτει ότι η τοπική ταχύτητα και η πίεση διαρροής αερίων παρουσιάζουν πτωτική τάση, με τον ρυθμό μείωσης να επιβραδύνεται σταδιακά. Τα ευρήματα αυτά καταδεικνύονται οπτικά μέσω διαγραμμάτων κατανομής (contours) ταχύτητας και πίεσης, παρέχοντας μια νέα οπτική για την κατανόηση των μηχανισμών διαρροής που προκαλούνται από τη φθορά.
Επιπλέον, η μελέτη προσδιορίζει την εμπλοκή του ελατηρίου (piston ring sticking) ως μια πιθανή πρωταρχική αιτία ανώμαλης τοπικής ανύψωσης της πίεσης εντός του κυλίνδρου, με καταστροφικό δυναμικό που υπερβαίνει κατά πολύ αυτό της φθοράς. Όταν οι επικαθίσεις άνθρακα υψηλής θερμοκρασίας περιορίζουν το ελατήριο μέσα στο λούκι (groove), εμποδίζοντας την ελεύθερη κίνηση, η διαδρομή ροής των αερίων φράσσεται, προκαλώντας απότομη εκτίναξη της πίεσης μεταξύ των ελατηρίων. Τα δεδομένα της προσομοίωσης δείχνουν ότι η μέγιστη πίεση αερίου υπό συνθήκες εμπλοκής εκτινάσσεται από την τιμή αναφοράς των 5.27 MPa στα 11.92 MPa. Τέτοιες δραστικές διακυμάνσεις πίεσης και αυξημένες πτώσεις πίεσης αποτελούν κρίσιμους παράγοντες που συμβάλλουν στην αστοχία του χιτωνίου του κυλίνδρου. Η παρούσα έρευνα οπτικοποιεί το πεδίο ροής εντός του κυλίνδρου, παρέχοντας προκαταρκτικά θεωρητικά δεδομένα για την υποστήριξη της διάγνωσης βλαβών σε ναυτικούς πετρελαιοκινητήρες.
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}
}