Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Memandangkan cabaran praktikal dan kekangan dalam menjalankan eksperimen yang bersifat merosakkan (destructive experiments) ke atas enjin diesel marin berskala besar, simulasi berangka telah muncul sebagai kaedah kritikal untuk menjelaskan mekanisme kegagalan gelang omboh (piston ring) serta menampung kekurangan data eksperimen. Dengan memberi tumpuan kepada sistem gelang omboh, omboh, dan pelapik silinder (cylinder liner), kajian ini membangunkan satu model gandingan yang mengintegrasikan domain bendalir 2D dengan struktur gelang omboh 3D. Penyelesaian ini mengambil kira interaksi multi-fizik yang melibatkan faktor terma, bendalir, dan struktur. Berbeza dengan analisis bendalir tunggal konvensional, model ini menggabungkan kelikatan gas yang bergantung kepada suhu dan tekanan, model turbulens k-ϵ, serta deformasi struktur gelang omboh di bawah beban ke dalam satu kerangka pengkomputeran yang bersepadu untuk mensimulasikan persekitaran fizikal yang kompleks di dalam silinder.
Pertama, dengan membandingkan prestasi gelang omboh dalam keadaan tidak haus dan keadaan haus (worn), kajian ini menyiasat evolusi deformasi mikro dan medan aliran kebocoran gas, sambil meneroka ciri-ciri tak linear dinamik bendalir tersebut. Hasil simulasi menunjukkan bahawa, walaupun dalam keadaan normal, profil keratan rentas gelang omboh mengalami deformasi elastik yang ketara pada saat tekanan pembakaran maksimum. Apabila kehausan berlaku akibat kegagalan pelinciran, pelebaran celah haus akan menjejaskan prestasi kedap; walau bagaimanapun, simulasi mendedahkan bahawa halaju dan tekanan kebocoran gas tempatan menunjukkan trend menurun, dengan kadar penurunan yang semakin perlahan. Penemuan ini dipamerkan secara visual melalui kontur halaju dan tekanan, memberikan perspektif baharu untuk memahami mekanisme kebocoran akibat kehausan.
Seterusnya, kajian ini mengenal pasti fenomena sticking (pelekatan) pada gelang omboh sebagai punca utama berpotensi bagi kenaikan tekanan tempatan yang tidak normal di dalam silinder, dengan potensi kerosakan yang jauh melebihi kesan kehausan. Apabila deposit karbon bersuhu tinggi menyekat gelang omboh di dalam alur (groove) dan menghalang pergerakan bebas, laluan aliran gas akan terhalang, menyebabkan lonjakan mendadak pada tekanan antara gelang. Data simulasi menunjukkan bahawa tekanan gas maksimum dalam keadaan sticking melonjak daripada garis dasar 5.27 MPa kepada 11.92 MPa. Turun naik tekanan yang drastik serta peningkatan penurunan tekanan (pressure drops) ini adalah faktor kritikal yang menyumbang kepada kegagalan pelapik silinder. Penyelidikan ini memvisualisasikan medan aliran dalam silinder, menyediakan data teori awal untuk menyokong diagnosis kerosakan enjin diesel marin.
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}
}