Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Având în vedere provocările practice și limitările asociate cu efectuarea experimentelor distructive pe motoare diesel marine de mari dimensiuni, simularea numerică s-a impus ca o metodă esențială pentru elucidarea mecanismelor de cedare a segmenților de piston și pentru compensarea lipsei datelor experimentale. Concentrându-se pe sistemul format din segment, piston și cămașa de cilindru, acest studiu stabilește un model cuplat care integrează un domeniu fluid 2D cu o structură 3D a segmentului. Soluția ține cont de interacțiunile multi-fizice care implică factori termici, fluizi și structurali. Spre deosebire de analizele convenționale pur fluidice, acest model încorporează într-un cadru computațional unificat vâscozitatea gazelor dependentă de temperatură și presiune, modelul de turbulență k-ϵ și deformarea structurală a segmentului sub sarcină, pentru a simula mediul fizic complex din interiorul cilindrului.
În primul rând, prin compararea performanței segmenților atât în stare nouă, cât și în stare uzată, studiul investighează evoluția micro-deformărilor și câmpul de curgere al scurgerilor de gaze, explorând totodată caracteristicile neliniare ale dinamicii fluidelor. Rezultatele simulării indică faptul că, chiar și în stare normală, profilul transversal al segmentului suferă o deformare elastică semnificativă în momentul presiunii maxime de combustie. Atunci când apare uzura cauzată de eșecul lubrifierii, lărgirea fantei de uzură compromite performanța de etanșare; cu toate acestea, simularea dezvăluie că viteza locală de scurgere a gazului și presiunea prezintă o tendință descendentă, rata de scădere încetinind treptat. Aceste constatări sunt demonstrate vizual prin contururi de viteză și presiune, oferind o nouă perspectivă pentru înțelegerea mecanismelor de scurgere induse de uzură.
În plus, studiul identifică blocarea segmenților (fenomenul de sticking sau gomaj) ca o potențială cauză primară a creșterii anormale a presiunii locale în cilindru, având un potențial distructiv mult mai mare decât cel al uzurii. Atunci când depunerile de carbon la temperaturi înalte restricționează segmentul în canal, împiedicând mișcarea liberă a acestuia, calea de curgere a gazului este obstrucționată, provocând o creștere bruscă a presiunii între segmenți. Datele simulării arată că presiunea maximă a gazului în condiții de blocare crește de la o valoare de bază de 5.27 MPa la 11.92 MPa. Astfel de fluctuații drastice și căderi de presiune accentuate reprezintă factori critici care contribuie la cedarea cămășii de cilindru. Această cercetare vizualizează câmpul de curgere din cilindru, oferind date teoretice preliminare pentru a sprijini diagnoza defectelor motoarelor diesel marine.
Referințe:
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}
}