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(chǎn)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(chǎn)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(cè)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(diào)壓器給電加熱板供電，當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，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(jié)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(nèi)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(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。實驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果的對比如圖6所示，相對誤差率在1%范圍內(nèi)，說明數(shù)值分析結(jié)果是可靠的。

圖6　實驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)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?，密度變小，與遠離散熱器的空氣形成密度差，產(chǎn)生了浮力。在散熱過程中，數(shù)值計算結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)示意圖

　　為了分析新結(jié)構(gòu)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(jié)果顯示散熱器新結(jié)構(gòu)的基板底面溫度分