大功率LED路燈散熱器自然對(duì)流的數(shù)值研究

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LED基板傳導(dǎo)到外部安裝的散熱裝置來進(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)其溫度場的影響情況。通過模擬優(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題；研究了散熱器散熱過程中的溫度場與周圍空氣流動(dòng)的矢量場，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)算太慢等問題。所以我們需要將計(jì)算域采用多層網(wǎng)格畫法。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)流換熱的耦合問題。計(jì)算過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離散，整場求解方法，把固體和流體中的熱傳遞過程組合起來作為一個(gè)統(tǒng)一的傳熱過程來求解。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的相比值不超過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?！　?.1.3　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