大功率LED路燈散熱器自然對流的數值研究

隨著(zhù)LED技術(shù)的發(fā)展，功率型LED在背光、汽車(chē)、戶(hù)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，對于戶(hù)外照明，需要將LED集成才能達到所需的亮度。在LED的光電轉化中，只有10%～20%的電能轉化為光輸出，其余的轉化為熱能，熱量通過(guò)LED基板傳導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芯片結溫要控制在120℃以下。LED用于道路照明或隧道照明，要滿(mǎn)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流這種冷卻方式最佳。

　　針對大功率LED路燈的散熱難題，國內外學(xué)者或制造者在散熱器結構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，改變散熱器結構的幾何參數，通過(guò)分析比較得出翅片高度變化對散熱性能影響最明顯。張琦等人采用ANSYS有限元軟件對其散熱結構進(jìn)行了熱分析，分析了鋁制熱沉不同結構參數對其溫度場(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)化了散熱器的結構。胡紅利等人基于半導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，結構復雜，附件多，影響其工作的穩定性。張雪粉設計了多種大功率LED散熱器模型，但對各個(gè)散熱器在自然對流的模擬分析過(guò)程中，對其表面均采用定值平均換熱系數。雖然計算區域只有散熱器本身，大大地簡(jiǎn)化了計算量，減少計算時(shí)間，方便散熱器設計，但由于幾何結構上的復雜性，平均換熱系數必須通過(guò)實(shí)驗與數值計算反復校正才能準確得到。L.Dialameh等人對翅片散熱器進(jìn)行了三維數值模擬優(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。

　　常規的50WLED路燈散熱器外形如圖1所示，其體積大，浪費的金屬材料多，成本居高不下，導致大功率LED路燈產(chǎn)業(yè)化應用受阻。本文采用Fluent軟件對這種散熱器進(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?chē)諝饬鲃?dòng)的矢量場(chǎng)，對散熱器的結構進(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　數值分析

　　2.1.1.1　計算域

　　三維物理模型的建立、網(wǎng)格劃分以及邊界條件的設立都在Fluent前處理軟件Gambit中進(jìn)行。模型計算域如圖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，肋片高度從外側到中間依次為32，33，33，34，34，35，35，36，36和37mm。

圖2　散熱器數值計算模型示意圖

　　為了滿(mǎn)足散熱器自然對流耦合計算的準確性，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。但是計算域太大，散熱器周?chē)忠笞銐蛎艿木W(wǎng)格，會(huì )造成劃分的網(wǎng)格太多，計算機資源(內存、CPU)不足，計算太慢等問(wèn)題。所以我們需要將計算域采用多層網(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，離散熱器較遠的空氣流動(dòng)區域可以采用疏網(wǎng)格。這樣能減少計算量，縮短計算時(shí)間。

　　1.1.2　計算方法

　　散熱器基板底面不斷地提供熱量，基板和散熱器肋片結合處為導熱對流換熱的耦合問(wèn)題，肋片與周?chē)諝獍l(fā)生自然對流換熱。因此，近似地把問(wèn)題看作是三維、穩態(tài)、常物性、有內熱源的導熱和對流換熱的耦合問(wèn)題。計算過(guò)程中由溫差引起的輻射換熱忽略不計，由于溫差而引起的浮生力作用，在計算中引入了Boussinesq假設：1)流體中的粘性耗散項忽略不計；2)除密度外其他物性皆為常數；3)密度僅考慮動(dòng)量方程中與體積力有關(guān)的項，其余各項中的密度作常數處理。數值計算時(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)統一的傳熱過(guò)程來(lái)求解。計算區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性，固體中的比熱容采用流體區中的比熱容之值。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流項均采用二階迎風(fēng)格式，壓力項采用PRESTO！格式。我們做了網(wǎng)格獨立性的考核，其標準是相鄰兩個(gè)計算中散熱器肋片上的溫度和周?chē)氖噶苛鲌?chǎng)的相比值不超過(guò)1%。計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，根據功率和基板底面面積給定。散熱器上的肋片自然對流換熱為耦合計算面，邊界條件的設置按照壁面函數法確定。散熱器是在大空間中進(jìn)行自然對流換熱，該計算域大空間的六個(gè)面均設為壓力入口邊界條件，環(huán)境壓力為一個(gè)大氣壓。

　　1.1.4　計算結果

　　當散熱器的加熱功率為50W，其熱流密度的計算公式如下：q=Q/A，式中，q為熱流密度，Q為熱流量，A為基板底面面積。當環(huán)境溫度為23℃時(shí)，數值計算得到散熱器肋片和基板