基于Fluent的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱熱失效的分析及優(yōu)化

文/陳國(guó)磊 白順平

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始逐漸進(jìn)入我們的日常生活，進(jìn)入二十世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行的創(chuàng)新和改革。伴隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分體現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”真正內(nèi)涵，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)象之間的連接和資源共享。例如，共享自行車的問(wèn)世使物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為一種清晰且有價(jià)值的使用場(chǎng)景，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使共享自行車成為可能，從而獲得了巨大的市場(chǎng)份額和經(jīng)濟(jì)效益。但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并不是特別完美，它的功能應(yīng)用程序中需要使用其他技術(shù)來(lái)改進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)在整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能物流上的應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能物流中的使用為貨物的運(yùn)輸以及運(yùn)輸路線提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)庫(kù)。它還可以檢測(cè)物流信息，并協(xié)助監(jiān)管者進(jìn)行安全檢查。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)施車輛系統(tǒng)管理和倉(cāng)庫(kù)貨物的自動(dòng)化管理。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將智能物流的各種參數(shù)傳遞到相關(guān)部門(mén)和公司，實(shí)現(xiàn)物流信息的共享，為解決物流問(wèn)題提供有效的參考信息，并將改善智能物流的作業(yè)環(huán)境。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能工業(yè)上的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使工業(yè)生產(chǎn)的智能化管理成為了可能，它使用遠(yuǎn)程信息處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程工業(yè)監(jiān)控，實(shí)施以一線員工為中心的遠(yuǎn)程咨詢，以及為進(jìn)入生產(chǎn)車間的人員提供便捷的服務(wù)系統(tǒng)。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也能夠識(shí)別每種生產(chǎn)原材料的類型，可以使技術(shù)人員更輕松地查詢零部件信息以及產(chǎn)品的生產(chǎn)信息，以防止假冒。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通運(yùn)輸上的應(yīng)用

在道路交通中，物聯(lián)網(wǎng)主要使用圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)標(biāo)記車輛，檢測(cè)交通流量以及收集和傳輸非法車輛信息。快速識(shí)別和分析交通管理部門(mén)的工作數(shù)據(jù)信息，以方便交通管理部門(mén)處理交通事故和進(jìn)行道路交通管理。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱熱失效分析

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的生熱機(jī)理

電控箱內(nèi)電氣元器件在工作的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生熱量熱量的積聚，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功率越大，電控箱內(nèi)電氣元器件的生熱現(xiàn)象就越明顯。一般情況下，我們將電控箱電氣元器件生熱來(lái)源主要?dú)w納為焦耳熱Qj、反應(yīng)熱Qr以及極化熱。

2.1.1 焦耳熱

焦耳熱主要是指電控箱內(nèi)電氣元器件在工作的過(guò)程中，電阻做功產(chǎn)生的熱量。通常用Rj表示焦耳內(nèi)阻，焦耳熱Qj的表達(dá)式是：

式中：I—電流大小，A；

Rj—焦耳內(nèi)阻，Ω。

2.1.2 反應(yīng)熱

反應(yīng)熱是指電控箱內(nèi)電氣元器件在工作的過(guò)程中，電氣元器件材料內(nèi)部的化學(xué)分子在反應(yīng)的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，反應(yīng)熱Qr的表達(dá)式是：

式中：n—電荷數(shù)；

F—法拉第常數(shù)，96485.4C/mol；

T—開(kāi)氏溫度，K；

E—電動(dòng)勢(shì)數(shù)值，V。

2.1.3 極化熱

極化熱是指電氣元器件在電流的影響下出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，使正極和負(fù)極的電位失去平衡，從而出現(xiàn)的熱量，極化熱Qp的表達(dá)式是：

式中：Rp—極化內(nèi)阻，Ω。

電控箱內(nèi)電氣元器件生熱量Q 可以表示為：

2.2 熱力循環(huán)計(jì)算

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱熱力循環(huán)過(guò)程p-h 圖如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的熱力循環(huán)計(jì)算：

單位質(zhì)量制冷量：

單位容積制冷量：

單位理論功：

壓縮機(jī)軸功率：

電動(dòng)機(jī)的功率：

熱力完善度：

圖1：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱熱力循環(huán)過(guò)程p-h 圖

2.3 電控箱模型的建立及網(wǎng)格劃分

電控箱是物聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，電控箱內(nèi)具有多種類型的電氣元器件，主要有變頻器、變壓器、電容、繼電器、電機(jī)、信號(hào)發(fā)射器、CPU 等。由于物聯(lián)網(wǎng)一直處于高負(fù)荷狀態(tài)工作，電氣元器件容易由于溫度過(guò)高，而發(fā)生失效的現(xiàn)象。本文采用SolidWorks 三維建模軟件對(duì)電控箱進(jìn)行模型的建立，由于主要進(jìn)行熱失效的分析，因此忽略了不受溫度影響的元器件，并為了方便有限元仿真，對(duì)電控箱不必要的特征進(jìn)行了簡(jiǎn)化；電控箱的三維模型建立完成之后，接下來(lái)要進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作，本文采用ANSYS 內(nèi)的mesh 進(jìn)行電控箱模型的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的類型為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分完成后的網(wǎng)格數(shù)為216825。

2.4 邊界條件的設(shè)置及求解計(jì)算

假設(shè)電氣元器件的發(fā)熱功率為20W/m3，電控箱的自然冷卻的散熱效率為5W/m2，在環(huán)境溫度為25℃和40℃的情況下，分別研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的溫度分布云圖。

在環(huán)境溫度為25℃的情況下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的最高溫度為40℃，最高溫度分布在發(fā)熱量較大電氣元器件處，此時(shí)環(huán)境溫度較為適宜，電氣元器件出現(xiàn)熱失效的可能性較低。

在環(huán)境溫度為40℃的情況下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的最高溫度為56℃，最高溫度分布在發(fā)熱量較大電氣元器件處，此時(shí)環(huán)境溫度較為炎熱宜，電氣元器件非常容易出現(xiàn)熱失效的問(wèn)題，若不對(duì)電控箱進(jìn)行有效的散熱，將會(huì)導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)法正常實(shí)施。

采用TEC 半導(dǎo)體制冷，在環(huán)境溫度為25℃的情況下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的最高溫度為32℃，最高溫度分布在發(fā)熱量較大電氣元器件處，此時(shí)環(huán)境溫度較為適宜，電氣元器件出現(xiàn)熱失效的可能性較低。

采用TEC 半導(dǎo)體制冷，在環(huán)境溫度為40℃的情況下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的最高溫度為42℃，最高溫度分布在發(fā)熱量較大電氣元器件處，此時(shí)環(huán)境溫度較為炎熱宜，電氣元器件依然得到了有效的散熱，不會(huì)發(fā)生熱失效問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以正常實(shí)施。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展給我們的日常生活帶來(lái)了很大的便利，物聯(lián)網(wǎng)的電控箱是保證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正常實(shí)施的基礎(chǔ)，若電控箱內(nèi)的電氣元器件發(fā)生熱失效問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致電控箱無(wú)法正常工作，因此要注意物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)電控箱的散熱問(wèn)題，保證物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)健康穩(wěn)定發(fā)展。