Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Koska tuhoavien kokeiden suorittaminen suurille laivadieselmoottoreille on käytännössä haastavaa ja rajoitettua, numeerisesta simuloinnista on tullut kriittinen menetelmä männänrenkaiden vikaantumismekanismien selvittämisessä ja kokeellisen datan niukkuuden paikkaamisessa. Tässä tutkimuksessa keskitytään männänrengas-, mäntä- ja sylinteriputkijärjestelmään ja luodaan kytketty malli, joka yhdistää 2D-virtausalueen ja 3D-männänrengasrakenteen. Ratkaisu huomioi monifysikaaliset vuorovaikutukset, joihin kuuluvat lämpö-, virtaus- ja rakennetekijät. Toisin kuin perinteiset erilliset virtausanalyysit, tämä malli sisällyttää kaasujen lämpötilasta ja paineesta riippuvan viskositeetin, k-ϵ -turbulenssimallin sekä männänrenkaan rakenteellisen muodonmuutoksen kuormituksen alla yhtenäiseen laskentakehykseen simuloidakseen sylinterin sisäistä monimutkaista fysikaalista ympäristöä.
Ensiksi tutkimuksessa vertaillaan männänrenkaiden suorituskykyä sekä kulumattomassa että kuluneessa tilassa ja tarkastellaan mikromuodonmuutosten kehittymistä sekä kaasuvuodon virtauskenttää samalla kun tutkitaan virtausdynamiikan epälineaarisia ominaisuuksia. Simulointitulokset osoittavat, että jopa normaalitilassa männänrenkaan poikkileikkausprofiilissa tapahtuu merkittävä elastinen muodonmuutos suurimman palamispaineen hetkellä. Kun voiteluhäiriöstä johtuvaa kulumista ilmenee, kulumisvälyksen leveneminen heikentää tiivistyskykyä; simulointi kuitenkin paljastaa, että paikallinen kaasuvuodon nopeus ja paine osoittavat laskevaa trendiä, ja laskunopeus hidastuu vähitellen. Nämä löydökset havainnollistetaan visualisoitujen nopeus- ja painekontuurien avulla, mikä tarjoaa uuden näkökulman kulumisen aiheuttamien vuotomekanismien ymmärtämiseen.
Lisäksi tutkimuksessa tunnistetaan männänrenkaan kiinnijuuttuminen mahdolliseksi pääsyyksi epänormaaliin paikalliseen paineennousuun sylinterissä, ja sen tuhopotentiaali ylittää selvästi kulumisen vaikutukset. Kun korkean lämpötilan karsta rajoittaa männänrengasta urassa estäen vapaan liikkeen, kaasun virtausreitti tukkeutuu, mikä aiheuttaa jyrkän painepiikin renkaiden välisessä tilassa. Simulointidata osoittaa, että kaasun maksimipaine kiinnijuuttumistilanteessa nousee 5.27 MPa:n perustasosta 11.92 MPa:iin. Tällaiset rajut paineenvaihtelut ja kasvaneet painehäviöt ovat kriittisiä tekijöitä, jotka myötävaikuttavat sylinteriputken vaurioitumiseen. Tämä tutkimus visualisoi sylinterin sisäisen virtauskentän ja tarjoaa alustavaa teoreettista tietoa laivadieselmoottoreiden vianmäärityksen tueksi.
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}
}