Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Tekintettel a nagy méretű hajózási dízelmotorokon végzett roncsolásos vizsgálatok gyakorlati kihívásaira és korlátaira, a numerikus szimuláció kritikus módszerré vált a dugattyúgyűrűk meghibásodási mechanizmusainak feltárásában és a kísérleti adatok hiányának pótlásában. A tanulmány a dugattyúgyűrű, a dugattyú és a hengerpersely rendszerére összpontosítva egy olyan csatolt modellt hoz létre, amely egyesíti a 2D folyadéktartományt a 3D dugattyúgyűrű-szerkezettel. A megoldás figyelembe veszi a termikus, áramlástani és szerkezeti tényezők közötti többfizikájú (multi-physics) kölcsönhatásokat. A hagyományos, önálló áramlástani elemzésekkel ellentétben ez a modell egységes számítási keretrendszerbe integrálja a gázok hőmérséklet- és nyomásfüggő viszkozitását, a k-ϵ turbulenciamodellt, valamint a dugattyúgyűrű terhelés alatti szerkezeti deformációját, hogy hűen szimulálja a hengeren belüli komplex fizikai környezetet.
A tanulmány először a kopásmentes és kopott állapotú dugattyúgyűrűk teljesítményének összehasonlításával vizsgálja a mikrodeformációk és a gázszivárgási áramlási tér alakulását, miközben feltárja a folyadékdinamika nemlineáris jellemzőit is. A szimulációs eredmények azt mutatják, hogy a dugattyúgyűrű keresztmetszeti profilja még normál állapotban is jelentős rugalmas deformáción megy keresztül a maximális égési nyomás pillanatában. Amikor a kenési elégtelenség miatt kopás lép fel, a kopási hézag kiszélesedése rontja a tömítési teljesítményt; a szimuláció azonban feltárja, hogy a helyi gázszivárgási sebesség és nyomás csökkenő tendenciát mutat, a csökkenés ütemének fokozatos lassulásával. Ezeket a megállapításokat vizualizált sebesség- és nyomáskontúrok szemléltetik, új perspektívát kínálva a kopás okozta szivárgási mechanizmusok megértéséhez.
Továbbá a tanulmány a dugattyúgyűrű-megszorulást (sticking) azonosítja a hengeren belüli rendellenes helyi nyomásnövekedés egyik potenciális fő okaként, amelynek károsító hatása messze meghaladja a kopásét. Amikor a magas hőmérsékletű koromlerakódások korlátozzák a dugattyúgyűrűt a horonyban, megakadályozva annak szabad mozgását, a gázáramlási út elzáródik, ami a gyűrűk közötti nyomás hirtelen megugrását okozza. A szimulációs adatok azt mutatják, hogy a maximális gáznyomás megszorulás esetén az 5.27 MPa-os alapértékről 11.92 MPa-ra emelkedik. Az ilyen drasztikus nyomásingadozások és a megnövekedett nyomásesés a hengerpersely-meghibásodás kritikus tényezői. A kutatás vizualizálja a hengeren belüli áramlási teret, előzetes elméleti adatokat szolgáltatva a hajózási dízelmotorok hibadiagnosztikájának támogatásához.
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}
}