大功率LED路燈散熱器自然對流的數(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流這種冷卻方式最佳。

　　針對大功率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(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)計了多種大功率LED散熱器模型，但對各個散熱器在自然對流的模擬分析過程中，對其表面均采用定值平均換熱系數(shù)。雖然計算區(qū)域只有散熱器本身，大大地簡化了計算量，減少計算時間，方便散熱器設(shè)計，但由于幾何結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，平均換熱系數(shù)必須通過實驗與數(shù)值計算反復(fù)校正才能準(zhǔn)確得到。L.Dialameh等人對翅片散熱器進(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題；研究了散熱器散熱過程中的溫度場與周圍空氣流動的矢量場，對散熱器的結(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)值計算模型示意圖

　　為了滿足散熱器自然對流耦合計算的準(zhǔn)確性，空氣流動域必須取得足夠大，大空間才能適用壓力入口邊界條件。但是計算域太大，散熱器周圍又要求足夠密的網(wǎng)格，會造成劃分的網(wǎng)格太多，計算機(jī)資源(內(nèi)存、CPU)不足，計算太慢等問題。所以我們需要將計算域采用多層網(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)的空氣流動區(qū)域可以采用疏網(wǎng)格。這樣能減少計算量，縮短計算時間。

　　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(jié)合處為導(dǎo)熱對流換熱的耦合問題，肋片與周圍空氣發(fā)生自然對流換熱。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)熱和對流換熱的耦合問題。計算過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(shè)：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(shù)；3)密度僅考慮動量方程中與體積力有關(guān)的項，其余各項中的密度作常數(shù)處理。數(shù)值計算時，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統(tǒng)一的傳熱過程來求解。計算區(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，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(dú)立性的考核，其標(biāo)準(zhǔn)是相鄰兩個計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%。計算收斂的條件選取相鄰兩個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流換熱為耦合計算面，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)行自然對流換熱，該計算域大空間的六個面均設(shè)為壓力入口邊界條件，環(huán)境壓力為一個大氣壓。

　　1.1.4　計算結(jié)果

　　當(dāng)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(dāng)環(huán)境溫度為23℃時，數(shù)值計算得到散熱器肋片和基板