Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Með hliðsjón af þeim hagnýtu áskorunum og takmörkunum sem fylgja því að framkvæma eyðileggjandi prófanir (destructive experiments) á stórum skipadísilvélum, hefur töluleg hermun (numerical simulation) rutt sér til rúms sem mikilvæg aðferð til að varpa ljósi á orsök bilana í stimpilhringjum og bæta upp fyrir skort á tilraunagögnum. Rannsóknin einblínir á kerfi stimpilhrings, stimpils og hylkisfóðringar (cylinder liner) og setur upp samtengt líkan sem sameinar tvívítt (2D) vökvasvið og þrívíða (3D) byggingu stimpilhrings. Lausnin tekur tillit til samspils margra eðlisþátta (multi-physics interactions), þar á meðal varma-, straum- og burðarþolsþátta. Ólíkt hefðbundnum, sjálfstæðum straumfræðigreiningum, fellir þetta líkan inn seigju gastegunda sem er háð hitastigi og þrýstingi, k-ϵ turbulence líkanið, og aflögun stimpilhringsins undir álagi í einn samræmdan útreikningsramma til að herma eftir hinu flókna eðlisfræðilega umhverfi inni í strokknum.
Í fyrsta lagi er þróun ör-aflögunar (micro-deformation) og flæðisviðs gasleka rannsökuð með því að bera saman frammistöðu stimpilhringa í bæði óslitnu og slitnu ástandi, samhliða því sem ólínulegir eiginleikar straumfræðinnar eru kannaðir. Niðurstöður hermunarinnar benda til þess að jafnvel í eðlilegu ástandi verði þversnið stimpilhringsins fyrir verulegri fjaðrandi aflögun (elastic deformation) á augnabliki hámarksbrunaþrýstings. Þegar slit á sér stað vegna bilunar í smurningu, skerðir breikkun slitbilsins þéttingareiginleika; hermunin leiðir þó í ljós að staðbundinn hraði gasleka og þrýstingur sýna leitni niður á við, þar sem hægir smám saman á lækkuninni. Þessar niðurstöður eru sýndar myndrænt með hraða- og þrýstingslínum, sem veitir nýja sýn á hvernig slit veldur leka.
Enn fremur leiðir rannsóknin í ljós að þegar stimpilhringur festist (piston ring sticking) er það hugsanleg meginorsök óeðlilegrar staðbundinnar þrýstingshækkunar í strokknum, en slíkt ástand hefur mun meiri eyðileggingarmátt en hefðbundið slit. Þegar kolefnisútfellingar (sót) við háan hita skorða stimpilhringinn í raufinni og koma í veg fyrir frjálsa hreyfingu, stíflast flæðileið gassins sem veldur snöggri þrýstingsaukningu milli hringja. Gögn úr hermuninni sýna að hámarksþrýstingur gass þegar hringur er fastur rýkur upp úr 5.27 MPa grunngildi í 11.92 MPa. Slíkar róttækar þrýstingssveiflur og aukið þrýstingsfall eru afgerandi þættir sem stuðla að bilun í hylkisfóðringu. Rannsóknin gerir flæðisviðið inni í strokknum sýnilegt og veitir frum-fræðileg gögn til stuðnings við bilanagreiningu í skipadísilvélum.
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}
}