大功率LED路燈散熱器自然對流的數(shù)值研究

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　實驗分析

　　為了確保數(shù)值計算所選的數(shù)學模型、網(wǎng)格劃分、計算方法和邊界條件的可靠性，我們做了實驗研究。實驗測量過程在一個不受干擾的封閉空間進行，實驗系統(tǒng)圖如圖5所示。在試驗中，散熱器基板底面覆以電加熱板，用以模擬LED燈組產生的熱量。并在基板與電加熱板間填涂導熱硅脂，隔絕空氣熱阻。電加熱板下方用石棉板絕熱使電加熱板產生的熱量全部由散熱器散出。

圖5　實驗系統(tǒng)示意圖

　　實驗過程中為了減少對流場的影響，熱電偶從散熱器上方引出。為了測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個熱電偶測量點。其中1、2號熱電偶布置在散熱器幾何中心的肋底和肋頂，3、4號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號熱電偶布置在散熱器左邊最外側肋片中間段的肋底和肋頂。11～17號熱電偶沿著基板底面對稱線上對稱布置。通過穩(wěn)壓器和調壓器給電加熱板供電，當散熱器基板底面最高溫度在10min內的變化范圍小于0.5℃左右時，我們認為電加熱板的加熱量和散熱器的散熱量達到平衡。此后采集各個測量點的溫度值。

　　1.3　數(shù)值計算和實驗結果的對比分析

　　本文中實驗加熱功率間隔為20W，從30～110W的范圍內進行，基板底面最高溫度分別為41、55、67、78和87℃。對應的數(shù)值計算基板底面最高溫度分別為41、53、65、75和88℃。從實驗和數(shù)值計算結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。實驗結果和數(shù)值計算結果的對比如圖6所示，相對誤差率在1%范圍內，說明數(shù)值分析結果是可靠的。

圖6　實驗結果與數(shù)值結果的對比　　2　散熱器自然對流過程分析

　　散熱器自然對流過程中，基板底面不斷地提供熱量，由于散熱器材料良好的導熱性，熱量使散熱器溫度不斷提高?？拷崞髦車目諝馐軣幔芏茸冃?，與遠離散熱器的空氣形成密度差，產生了浮力。在散熱過程中，數(shù)值計算結果可以得到在Y-Z面中的速度矢量場如圖7所示?？梢灾庇^地看出空氣因為散熱器的基板底面在浮力的作用下，擾流冷卻散熱器的時候，空氣直接從散熱器四周往上走，卻不能進入散熱器肋片間對散熱器進行冷卻。在電加熱板的加熱量與散熱器的散熱量平衡時，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動，到最終混為一起的時候，在散熱器肋片的上方形成了一個很大的滯流區(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小渦，阻止了周圍空氣進入散熱器肋片里。又因為在粘性力的作用下，這個滯流區(qū)域里空氣流速非常小，所以在這樣的結構下，散熱器的肋片就沒有充分發(fā)揮出自然對流的散熱效果。

　　3　散熱器結構改進

　　自然對流的散熱強度不僅取決于流速、溫差和流體物性，還取決于速度場和溫度場的協(xié)同。從數(shù)值計算結果分析來看，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。但缺點是增加成本，浪費金屬材料；(2)通過改變空氣擾流流場線，讓速度場和溫度場的協(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　散熱器新結構示意圖

　　為了分析新結構散熱器的散熱能力，對比實驗驗證了數(shù)值計算可靠性，所以我們采用同樣的數(shù)學模型、網(wǎng)格劃分、計算方法和邊界條件來數(shù)值計算分析，這樣省時，高效，成本低。計算結果顯示散熱器新結構的基板底面溫度分