高速公路隧道機電系統熱失效有限元仿真

郭競杰

（福建省交通建設工程監理咨詢有限公司，福建福州350002）

0 引言

高速公路隧道機電系統是一個系統的、全面的多方位控制系統，我國對于常見的通風、排水、亮化、監督、防災等常規特征的管理，大多還是參考國外的管理經驗，但我國的山體土質情況、空氣濕度、環境溫度等參數和國外有一定的差異，并且我國地域遼闊、四季溫差和南北溫差較大，因此對于機電系統熱失效的研究我們應該有自己的知識體系。

1 隧道機電系統熱失效造成的影響

為了保證高速公路的正常運營，給人們的出行帶來方便，必須對隧道機電系統的熱失效問題進行分析。隧道機電系統主要包括通信系統、收費系統、照明系統、監控系統。原理是采用溫度傳感器、光電傳感器、計算機、控制電路板等電子設備進行工作。由于電子設備在工作的過程中會由于焦耳效應產生一定的熱量，不僅會縮短電子設備的使用壽命，更嚴重的是還會導致電子設備工作失效。高速公路的車輛速度較快，若是照明系統或監控系統電子設備由于熱失效而停止工作，將會帶來嚴重的后果。隧道基本是建立在山丘地區，或者湖泊、海洋的下方，一旦由于電子設備的溫度過高引起火災，消防人員將無法有效開展工作，這也是潛在的隱患。綜上所述，隧道機電系統熱失效造成的后果十分嚴重，無論是為了保障高速公路的正常運行，還是為了保證人民群眾的財產安全，對隧道機電系統熱失效進行分析研究都十分必要。

2 ANSYS有限元仿真分析

ANSYS是國外大型有限元仿真分析軟件，近年來在我國的各個領域都得到了廣泛應用，其極大地縮短了產品的研發周期，也有效降低了產品的研發成本。本文將利用ANSYS軟件對高速公路隧道機電系統熱失效問題進行模擬仿真。

2.1 熱失效模型的建立

焦耳熱是指電子設備在通電過程中，需要克服內部電阻做功而產生的熱量。電子設備的焦耳內阻主要包括組成電子設備各種材料的自身內阻及各部件材料之間接觸所產生的電阻。

焦耳熱Qj的表達式是：

式中，I表示電流大小；Rj表示焦耳內阻。

高速公路隧道機電系統電子設備的主要散熱模式為對流換熱，其影響因素較多，為了便于分析和計算，以牛頓冷卻公式為其基本計算公式，即：

式中，Φ為換熱量（W）；h為表面換熱系數[W/（m2·K）]；A為換熱面積（m2）；Δt為對流換熱溫差（℃），即固體壁面平均溫度tw和流體平均溫度tf的差值。

該計算式也可以改成為：

式中，Rw為對流換熱熱阻（m2·K/W）。

2.2 仿真模型的選取和建立

在通信系統、收費系統和照明系統中，照明系統的耗電量較大，因此其控制板通過的電流也較大。本文主要以照明系統的控制板為例進行模擬仿真，為了加快計算機求解的速度，刪除了一些不必要的結構，將照明系統的控制板簡化為一個長方體，其主要參數和等效數值如表1所示。

表1 電子設備內部各組分密度和導熱系數

建立的等效長方體的主要外部尺寸為：300 mm×400 mm×200 mm，對其進行網格劃分，劃分后的模型如圖1所示。

圖1 網格劃分

2.3 邊界條件的添加與求解

在網格劃分完成以后，將進行邊界條件的添加。首先模擬在高溫的夏天，環境溫度為40℃，高速公司隧道機電系統控制箱體大電流持續工作且不添加任何散熱設備的情況下的溫升情況，求解后的結果如圖2所示。

此時控制箱的最高溫度為74℃，其位置為控制箱的中間部位，盡管控制箱的四周散熱效果較好，但是其溫度也達到了48℃，在這樣的溫度環境下，其控制線路極易老化，并且發生火災的概率也較大。

圖2 夏季40℃控制箱溫升情況

其次，模擬在春天、秋天，環境溫度為25℃，高速公路隧道機電系統控制箱體大電流持續工作且不添加任何散熱設備的情況下的溫升情況，求解后的結果如圖3所示。

圖3 春季、秋季25℃控制箱溫升情況

此時控制箱的最高溫度為34℃，其位置為控制箱的中間部位，控制箱四周的溫度達到了26℃，在這樣的溫度環境下，其控制線路存在老化的風險，并且也具有發生火災的可能。

最后，模擬在冬天，環境溫度為0℃，高速公路隧道機電系統控制箱體大電流持續工作且不添加任何散熱設備的情況下的溫升情況，求解后的結果如圖4所示。

圖4 冬季0℃控制箱溫升情況

此時控制箱的最高溫度為28℃，其位置為控制箱的中間部位，控制箱四周的溫度達到了24℃，在這樣的溫度環境下，其控制線路不存在老化的風險，并且也不具有發生火災的可能。

綜合上述情況可以發現，夏季為高速公路隧道機電控制系統熱失效的主要季節，春季、秋季也存在一定的線路老化和發生火災的可能，冬季基本不用考慮機電系統熱失效的問題。

2.4 熱失效問題的改善和優化

為了避免高速公路隧道機電系統出現熱失效的問題，需要對發熱量較大的設備添加散熱設備，例如風扇散熱、液冷散熱、相變材料散熱，并且應將發熱量較大的控制箱安裝固定在通風環境下，避免安置在閉塞的墻體內部。經過加裝散熱設備后，再次模擬夏季40℃環境溫度下控制箱的溫升情況，求解結果如圖5所示。

圖5 優化后控制箱的溫升情況

此時控制箱的最高溫度為29℃，其位置為控制箱的中間部位，控制箱四周的溫度為24℃，在這樣的溫度環境下，其控制線路不存在老化的風險，并且也不具有發生火災的可能。

3 結語

在高速公路隧道機電系統的管理過程中，要充分重視熱失效引發的問題，并且還要做好系統的維護工作，加強對機電設備維護人員的專業性培訓。對于溫度過高的控制系統要加裝有效的散熱設備，以保證隧道機電系統的正常運行。