Congcong Luo, Minghang Zhao, Song Fu, Yan Zhang, Yan Han, Qingqing Huang, Zhiquan Cui
Büyük ölçekli gemi dizel motorları üzerinde tahribatlı deneyler yapmanın getirdiği pratik zorluklar ve kısıtlamalar göz önüne alındığında, sayısal simülasyon, piston segmanı hasar mekanizmalarını aydınlatmak ve deneysel veri eksikliğini gidermek için kritik bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Bu çalışma, piston segmanı, piston ve silindir gömleği sistemine odaklanarak, 2B akışkan alanı ile 3B segman yapısını entegre eden bağlaşık (coupled) bir model oluşturmaktadır. Çözüm süreci; termal, akışkan ve yapısal faktörleri içeren çoklu fizik etkileşimlerini hesaba katmaktadır. Geleneksel tekil akışkan analizlerinin aksine bu model; gazların sıcaklığa ve basınca bağlı viskozitesini, k-ϵ türbülans modelini ve yük altındaki segman yapısal deformasyonunu, silindir içindeki karmaşık fiziksel ortamı simüle etmek amacıyla birleşik bir hesaplama çerçevesine dahil etmektedir.
İlk olarak çalışma, piston segmanlarının performansını hem aşınmamış hem de aşınmış durumlarda karşılaştırarak mikro deformasyonun evrimini ve gaz kaçağı akış alanını incelemekte, aynı zamanda akışkan dinamiğinin doğrusal olmayan özelliklerini araştırmaktadır. Simülasyon sonuçları, normal bir durumda bile maksimum yanma basıncı anında piston segmanının kesit profilinin belirgin bir elastik deformasyona uğradığını göstermektedir. Yağlama hatası nedeniyle aşınma meydana geldiğinde, aşınma boşluğunun genişlemesi sızdırmazlık performansını tehlikeye atmaktadır; ancak simülasyon, yerel gaz kaçak hızı ve basıncının düşüş eğilimi gösterdiğini ve bu düşüş hızının giderek yavaşladığını ortaya koymaktadır. Bu bulgular, görselleştirilmiş hız ve basınç konturları aracılığıyla somutlaştırılarak aşınma kaynaklı kaçak mekanizmalarının anlaşılması için yeni bir bakış açısı sunmaktadır.
Ayrıca çalışma, piston segmanı sıkışmasını (sticking), silindir içindeki anormal yerel basınç artışının potansiyel birincil nedeni olarak tanımlamakta ve bunun aşınmadan çok daha yüksek bir tahribat potansiyeline sahip olduğunu belirtmektedir. Yüksek sıcaklık kaynaklı karbon birikintileri segmanı yuva (kanal) içinde kısıtlayıp serbest hareketini engellediğinde, gaz akış yolu tıkanarak segmanlar arası basınçta keskin bir artışa neden olmaktadır. Simülasyon verileri, sıkışma koşulları altındaki maksimum gaz basıncının, 5.27 MPa taban seviyesinden 11.92 MPa seviyesine fırladığını göstermektedir. Bu tür şiddetli basınç dalgalanmaları ve artan basınç düşüşleri, silindir gömleği hasarına katkıda bulunan kritik faktörlerdir. Bu araştırma, silindir içi akış alanını görselleştirerek gemi dizel motorlarının arıza teşhisini desteklemek adına öncül teorik veriler sağlamaktadır.
Referanslar:
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}
}