漢鼎LED路燈廠家：隨著LED技術(shù)的發(fā)展，功率型LED在背光、汽車、戶外照明、商業(yè)照明等領(lǐng)域都得到飛速發(fā)展。但是目前單顆LED的輸出光通量較低，對(duì)于戶外照明，需要將LED集成才 能達(dá)到所需的亮度。在LED的光電轉(zhuǎn)化中，只有10%～20%的電能轉(zhuǎn)化為光輸出，其余的轉(zhuǎn)化為熱能，熱量通過(guò)LED基板傳導(dǎo)到外部安裝的散熱裝置來(lái)進(jìn)行 散熱。為了保證LED路燈的壽命和可靠性，LED芯片結(jié)溫要控制在120℃以下。LED用于道路照明或隧道照明，要滿足防塵、防水、雷擊、風(fēng)壓等多方面的要求，所以大功率LED路燈散熱器采用自然對(duì)流這種冷卻方式最佳。

　　針對(duì)大功率LED路燈的散熱難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者或制造者在散熱器結(jié)構(gòu)和材料上做了很多工作。劉靜等人-采用等效電路的熱阻法計(jì)算了大功率LED照明器 的熱阻，并估算了散熱器的面積，然后利用Icepak軟件進(jìn)行建模分析，改變散熱器結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，通過(guò)分析比較得出翅片高度變化對(duì)散熱性能影響最明顯。 張琦等人采用ANSYS有限元軟件對(duì)其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析，分析了鋁制熱沉不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況。通過(guò)模擬優(yōu)化，有效減小了散熱器的質(zhì)量， 優(yōu)化了散熱器的結(jié)構(gòu)。胡紅利等人基于半導(dǎo)體熱電元件和熱管技術(shù)來(lái)控制LED燈散熱，并增加一個(gè)余熱回收系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件多，影響其工作的穩(wěn)定性。張雪 粉設(shè)計(jì)了多種大功率LED散熱器模型，但對(duì)各個(gè)散熱器在自然對(duì)流的模擬分析過(guò)程中，對(duì)其表面均采用定值平均換熱系數(shù)。雖然計(jì)算區(qū)域只有散熱器本身，大大地 簡(jiǎn)化了計(jì)算量，減少計(jì)算時(shí)間，方便散熱器設(shè)計(jì)，但由于幾何結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，平均換熱系數(shù)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算反復(fù)校正才能準(zhǔn)確得到。 L.Dialameh等人對(duì)翅片散熱器進(jìn)行了三維數(shù)值模擬優(yōu)化，分析了不同肋片高度與肋片間距中空氣的速度大小分布情況；在不同的肋高和肋間距下，得出肋 片不同的平均換熱系數(shù)。

　　常規(guī)的50WLED路燈散熱器外形如圖1所示，其體積大，浪費(fèi)的金屬材料多，成本居高不下，導(dǎo)致大功率LED路燈產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用受阻。本文采用Fluent軟件對(duì)這種散熱器進(jìn)行了三維建模分析，研究了散熱器在大空間中自然對(duì)流換熱的耦合傳熱問(wèn)題；研究了散熱器散熱過(guò)程 中的溫度場(chǎng)與周圍空氣流動(dòng)的矢量場(chǎng)，對(duì)散熱器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

　　

圖1　LED路燈散熱器外形示意圖

　　1　散熱器分析

　　1.1　數(shù)值分析

　　2.1.1.1　計(jì)算域

　 　三維物理模型的建立、網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設(shè)立都在Fluent前處理軟件Gambit中進(jìn)行。模型計(jì)算域如圖2所示，基板厚4mm，基板底面 270mm×255mm，肋片厚2mm，中間最大間距為16mm，其余均為12mm，肋片高度從外側(cè)到中間依次為 32，33，33，34，34，35，35，36，36和37mm。

　　

圖2　散熱器數(shù)值計(jì)算模型示意圖

　 　為了滿足散熱器自然對(duì)流耦合計(jì)算的準(zhǔn)確性，空氣流動(dòng)域必須取得足夠大，大空間才能適用壓力入口邊界條件。但是計(jì)算域太大，散熱器周圍又要求足夠密的網(wǎng) 格，會(huì)造成劃分的網(wǎng)格太多，計(jì)算機(jī)資源(內(nèi)存、CPU)不足，計(jì)算太慢等問(wèn)題。所以我們需要將計(jì)算域采用多層網(wǎng)格畫(huà)法。這樣散熱器和散熱器附近的空氣流動(dòng) 區(qū)域可以采用較小的網(wǎng)格單元間隔來(lái)劃分，離散熱器較遠(yuǎn)的空氣流動(dòng)區(qū)域可以采用疏網(wǎng)格。這樣能減少計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間。

　　1.1.2　計(jì)算方法

　 　散熱器基板底面不斷地提供熱量，基板和散熱器肋片結(jié)合處為導(dǎo)熱對(duì)流換熱的耦合問(wèn)題，肋片與周圍空氣發(fā)生自然對(duì)流換熱。因此，近似地把問(wèn)題看作是三維、穩(wěn) 態(tài)、常物性、有內(nèi)熱源的導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的耦合問(wèn)題。計(jì)算過(guò)程中由溫差引起的輻射換熱忽略不計(jì)，由于溫差而引起的浮生力作用，在計(jì)算中引入了 Boussinesq假設(shè)：1)流體中的粘性耗散項(xiàng)忽略不計(jì)；2)除密度外其他物性皆為常數(shù)；3)密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項(xiàng)，其余各項(xiàng)中的密 度作常數(shù)處理。數(shù)值計(jì)算時(shí)，散熱器和大空間采用整場(chǎng)離散，整場(chǎng)求解方法，把固體和流體中的熱傳遞過(guò)程組合起來(lái)作為一個(gè)統(tǒng)一的傳熱過(guò)程來(lái)求解。計(jì)算區(qū)域采用 有限容積法在同位網(wǎng)格上進(jìn)行控制方程的離散，κ-ε雙方程模型求解。文獻(xiàn)指出在整場(chǎng)求解時(shí)，為了保證固體與流體耦合界面物理上熱流密度的連續(xù)性，固體中的 比熱容采用流體區(qū)中的比熱容之值。求解采用壓力-速度耦合的SIMPLE算法，動(dòng)量和能量方程中的對(duì)流項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，壓力項(xiàng)采用PRESTO！格 式。我們做了網(wǎng)格獨(dú)立性的考核，其標(biāo)準(zhǔn)是相鄰兩個(gè)計(jì)算中散熱器肋片上的溫度和周圍的矢量流場(chǎng)的相比值不超過(guò)1%。計(jì)算收斂的條件選取相鄰兩個(gè)迭代步之間的 殘差小于給定量，能量殘差為1×10-6，其余均為0.001。

1.1.3　邊界條件

　　散熱器基板底面假定為等熱流邊界條件，根據(jù)功率和基板底面面積給定。散熱器上的肋片自然對(duì)流換熱為耦合計(jì)算面，邊界條件的設(shè)置按照壁面函數(shù)法確定。散熱器是在大空間中進(jìn)行自然對(duì)流換熱，該計(jì)算域大空間的六個(gè)面均設(shè)為壓力入口邊界條件，環(huán)境壓力為一個(gè)大氣壓。

　　1.1.4　計(jì)算結(jié)果

　 　當(dāng)散熱器的加熱功率為50W，其熱流密度的計(jì)算公式如下：q=Q/A，式中，q為熱流密度，Q為熱流量，A為基板底面面積。當(dāng)環(huán)境溫度為23℃時(shí)，數(shù)值 計(jì)算得到散熱器肋片和基板底面穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖3、圖4所示。此時(shí)散熱器肋片平均溫度為39℃，基板底面最高溫度為53℃。

　

圖3　散熱器肋片溫度分布圖

　　

圖4　散熱器基板底面溫度分布圖

　　1.2　實(shí)驗(yàn)分析

　　為了確保數(shù)值計(jì)算所選的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格劃分、計(jì)算方法和邊界條件的可靠性，我們做了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程在一個(gè)不受干擾的封閉空間進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖5所示。在試驗(yàn)中，散熱器基板底面覆以電加熱板，用以模擬LED燈組產(chǎn)生的熱量。并在基板與電加熱板間填涂導(dǎo)熱硅脂，隔絕空氣熱阻。電加熱板下方用石棉板絕熱使電加熱板產(chǎn)生的熱量全部由散熱器散出。

　　

圖5　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

　 　實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了減少對(duì)流場(chǎng)的影響，熱電偶從散熱器上方引出。為了測(cè)定散熱器主要部分固體表面溫度，在散熱器上總共布置了17個(gè)熱電偶測(cè)量點(diǎn)。其中1、2 號(hào)熱電偶布置在散熱器幾何中心的肋底和肋頂，3、4號(hào)熱電偶布置在散熱器中間肋片前端端面上的肋底和肋頂，5、6號(hào)熱電偶布置在散熱器從左邊起第三片肋中 間的肋底和肋頂，7、8號(hào)熱電偶布置在散熱器從左邊起第三片肋前端端面的肋底和肋頂，9、10號(hào)熱電偶布置在散熱器左邊最外側(cè)肋片中間段的肋底和肋頂。 11～17號(hào)熱電偶沿著基板底面對(duì)稱線上對(duì)稱布置。通過(guò)穩(wěn)壓器和調(diào)壓器給電加熱板供電，當(dāng)散熱器基板底面最高溫度在10min內(nèi)的變化范圍小于0.5℃左 右時(shí)，我們認(rèn)為電加熱板的加熱量和散熱器的散熱量達(dá)到平衡。此后采集各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度值。

　　1.3　數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析

　 　本文中實(shí)驗(yàn)加熱功率間隔為20W，從30～110W的范圍內(nèi)進(jìn)行，基板底面最高溫度分別為41、55、67、78和87℃。對(duì)應(yīng)的數(shù)值計(jì)算基板底面最高 溫度分別為41、53、65、75和88℃。從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出隨著加熱功率的提高，散熱器的基板底面最高溫度也隨之提高，成線性變化。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖6所示，相對(duì)誤差率在1%范圍內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值分析結(jié)果是可靠的。

　　

圖6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對(duì)比

 

    2　散熱器自然對(duì)流過(guò)程分析

　 　散熱器自然對(duì)流過(guò)程中，基板底面不斷地提供熱量，由于散熱器材料良好的導(dǎo)熱性，熱量使散熱器溫度不斷提高?？拷崞髦車目諝馐軣?，密度變小，與遠(yuǎn)離散熱器的空氣形成密度差，產(chǎn)生了浮力。在散熱過(guò)程中，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得到在Y-Z面中的速度矢量場(chǎng)如圖7所示?？梢灾庇^地看出空氣因?yàn)樯崞鞯幕宓酌?在浮力的作用下，擾流冷卻散熱器的時(shí)候，空氣直接從散熱器四周往上走，卻不能進(jìn)入散熱器肋片間對(duì)散熱器進(jìn)行冷卻。在電加熱板的加熱量與散熱器的散熱量平衡 時(shí)，散熱器肋片都成了等溫壁面。速度又是由溫度差引起的，速度小導(dǎo)致空氣的浮生力小于粘性力。散熱器周圍的冷空氣從散熱器四周往上運(yùn)動(dòng)，到最終混為一起的 時(shí)候，在散熱器肋片的上方形成了一個(gè)很大的滯流區(qū)域。從圖8　X-Z面的速度矢量圖可以看出在肋片方向上的滯流區(qū)域里的兩端形成了兩個(gè)小渦，阻止了周圍空 氣進(jìn)入散熱器肋片里。又因?yàn)樵谡承粤Φ淖饔孟?，這個(gè)滯流區(qū)域里空氣流速非常小，所以在這樣的結(jié)構(gòu)下，散熱器的肋片就沒(méi)有充分發(fā)揮出自然對(duì)流的散熱效果。

　　3　散熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　 　自然對(duì)流的散熱強(qiáng)度不僅取決于流速、溫差和流體物性，還取決于速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析來(lái)看，為了提高散熱器的散熱能力，降低基板底面 最高溫度可以有兩種方法：(1)把散熱器做得更大，散熱器體積越大，其熱容量越大，其散熱面積也越大，還等同于降低了單位熱流密度。但缺點(diǎn)是增加成本，浪 費(fèi)金屬材料；(2)通過(guò)改變空氣擾流流場(chǎng)線，讓速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同性更好。把原有散熱器模型加工成如圖9所示，讓空氣在浮力的作用下可以在散熱器中間實(shí) 現(xiàn)上下流通，擾流肋片，增大空氣擾流面積。這樣不僅可以破壞散熱器上面的滯流區(qū)域，還增大了空氣流通量，更充分冷卻散熱器。

　　

圖9　散熱器新結(jié)構(gòu)示意圖

　 　為了分析新結(jié)構(gòu)散熱器的散熱能力，對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算可靠性，所以我們采用同樣的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格劃分、計(jì)算方法和邊界條件來(lái)數(shù)值計(jì)算分析，這樣省 時(shí)，高效，成本低。計(jì)算結(jié)果顯示散熱器新結(jié)構(gòu)的基板底面溫度分布圖如圖10所示。在相同功率下，雖然基板底面受熱面積有所減小，底面單位熱流密度有所增 加。但是散熱器的基板底面最高溫度依然比原模型降低了5℃。肋片平均換熱系數(shù)也由5.1W/(m2·K)提高為6.0W/(m2·K)。從X-Z面，Y- Z面上的速度矢量圖11、12可以看出新結(jié)構(gòu)在散熱器中間實(shí)現(xiàn)了空氣上下流通，增加了空氣的流通量，受熱空氣擾流散熱器中部肋片時(shí)的最大速度也只有 0.9m/s左右，這種新結(jié)構(gòu)下，當(dāng)工作環(huán)境在有風(fēng)的條件下，更會(huì)強(qiáng)化換熱效果，使散熱效果更佳。這種新結(jié)構(gòu)加工程序簡(jiǎn)單，減輕了散熱器的重量和總的金屬 消耗量，也方便于自動(dòng)化生產(chǎn)及安裝。

　　4　結(jié)論

　　本文運(yùn)用Fluent軟件對(duì)大功率LED路 燈散熱器在大空間中自然對(duì)流冷卻進(jìn)行了耦合數(shù)值計(jì)算。對(duì)其散熱過(guò)程進(jìn)行了分析，得出了如下結(jié)論：(1)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本文計(jì)算方法 的可靠性；(2)數(shù)值計(jì)算比實(shí)驗(yàn)?zāi)芨?、更科學(xué)、更方便地分析散熱器的散熱過(guò)程；(3)本文設(shè)計(jì)的散熱器新結(jié)構(gòu)，讓空氣在散熱器中間實(shí)現(xiàn)上下流通，增加空 氣流通量，降低了基板底面溫度，提高了肋片平均換熱系數(shù)；(4)底面加工間距對(duì)散熱器散熱能力有顯著影響。（來(lái)源：重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院）
 

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