1、 随着 LED 技术的发展，功率型 LED 在背光、汽车、户外照明、商业照明等领域都得到飞速发展。但是目前单颗 LED 的输出光通量较低，对于户外照明，需要将 LED 集成才能达到所需的亮度。在 LED 的光电转化中，只有 10%20%的电能转化为光输出，其余的转化为热能，热量通过 LED 基板传导到外部安装的散热装置来进行散热。为了保证 LED 路灯的寿命和可靠性， led 芯片结温要 控制在 120以下。LED 用于道路照明或隧道照明，要满足防尘、防水、雷击、风压等多方面的要求，所以大功率 LED 路灯散热器采用自然对流这种冷却方式最佳。针对大功率 LED 路灯的散热难题，国内外学者或制造
2、者在散热器结构和材料上做了很多工作。刘静等人-采用等效电路的热阻法计算了大功率 LED 照明器的热阻，并估算了散热器的面积，然后利用 Icepak 软件进行建模分析，改变散热器结构的几何参数，通过分析比较得出翅片高度变化对散热性能影响最明显。张琦等人采用 ansys 有限元软件对其散热结构进行了热分析，分析了铝制热沉不同结构参数对其温度场的影响情况。通过模拟优化，有效减小了散热器的质量，优化了散热器的结构。胡红利等人基于 LED 照明热电元件和热管技术来控制 LED 灯散热，并增加一个余热回收系统，结构复杂，附件多，影响其工作的稳定性。张雪粉设计了多种大功率 LED 散热器模型，但对各个散热器
3、在自然对流的模拟分析过程中，对其表面均采用定值平均换热系数。虽然计算区域只有散热器本身，大大地简化了计算量，减少计算时间，方便散热器设计，但由于几何结构上的复杂性，平均换热系数必须通过实验与数值计算反复校正才能准确得到。L.Dialameh 等人对翅片散热器进行了三维数值模拟优化，分析了不同肋片高度与肋片间距中空气的速度大小分布情况；在不同的肋高和肋间距下，得出肋片不同的平均换热系数。常规的 50WLED 路灯散热器外形如图 1 所示，其体积大，浪费的金属材料多，成本居高不下，导致大功率 LED 路灯产业化应用受阻。本文采用 Fluent 软件对这种散热器进行了三维建模分析，研究了散热器在大空
4、间中自然对流换热的耦合传热问题；研究了散热器散热过程中的温度场与周围空气流动的矢量场，对散热器的结构进行了改进。图 1 LED 路灯散热器外形示意图1 散热器分析1.1 数值分析2.1.1.1 计算域三维物理模型的建立、网格划分以及边界条件的设立都在 Fluent 前处理软件 Gambit中进行。模型计算域如图 2 所示，基板厚 4mm，基板底面 270mm255mm，肋片厚2mm，中间最大间距为 16mm，其余均为 12mm，肋片高度从外侧到中间依次为32，33，33 ，34 ，34，35，35，36，36 和 37mm。图 2 散热器数值计算模型示意图为了满足散热器自然对流耦合计算的准确性
5、，空气流动域必须取得足够大，大空间才能适用压力入口边界条件。但是计算域太大，散热器周围又要求足够密的网格，会造成划分的网格太多，电脑资源(内存、 CPU)不足，计算太慢等问题。所以我们需要将计算域采用多层网格画法。这样散热器和散热器附近的空气流动区域可以采用较小的网格单元间隔来划分，离散热器较远的空气流动区域可以采用疏网格。这样能减少计算量，缩短计算时间。1.1.2 计算方法散热器基板底面不断地提供热量，基板和散热器肋片结合处为导热对流换热的耦合问题，肋片与周围空气发生自然对流换热。因此，近似地把问题看作是三维、稳态、常物性、有内热源的导热和对流换热的耦合问题。计算过程中由温差引起的辐射换热忽
6、略不计，由于温差而引起的浮生力作用，在计算中引入了 Boussinesq 假设：1)流体中的粘性耗散项忽略不计；2)除密度外其他物性皆为常数；3) 密度仅考虑动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度作常数处理。数值计算时，散热器和大空间采用整场离散，整场求解方法，把固体和流体中的热传递过程组合起来作为一个统一的传热过程来求解。计算区域采用有限容积法在同位网格上进行控制方程的离散，- 双方程模型求解。文献指出在整场求解时，为了保证固体与流体耦合界面物理上热流密度的连续性，固体中的比热容采用流体区中的比热容之值。求解采用压力-速度耦合的 SIMPLE 算法，动量和能量方程中的对流项均采用二阶迎
7、风格式，压力项采用 PRESTO！格式。我们做了网格独立性的考核，其 标准是相邻两个计算中散热器肋片上的温度和周围的矢量流场的相比值不超过 1%。计算收敛的条件选取相邻两个迭代步之间的残差小于给定量，能量残差为 110-6，其余均为 0.001。1.1.3 边界条件散热器基板底面假定为等热流边界条件，根据功率和基板底面面积给定。散热器上的肋片自然对流换热为耦合计算面，边界条件的设置按照壁面函数法确定。散热器是在大空间中进行自然对流换热，该计算域大空间的六个面均设为压力入口边界条件，环境压力为一个大气压。1.1.4 计算结果当散热器的加热功率为 50W，其热流密度的计算公式如下： q=Q/A，式
8、中，q 为热流密度，Q 为热流量，A 为基板底面面积。当环境温度为 23时，数值计算得到散热器肋片和基板底面稳态温度场如图 3、图 4 所示。此时散热器肋片平均温度为 39，基板底面最高温度为 53 。图 3 散热器肋片温度分布图图 4 散热器基板底面温度分布图1.2 实验分析为了确保数值计算所选的数学模型、网格划分、计算方法和边界条件的可靠性，我们做了实验研究。实验测量过程在一个不受干扰的封闭空间进行，实验系统图如图 5 所示。在试验中，散热器基板底面覆以电加热板，用以模拟 LED 灯组产生的热量。并在基板与电加热板间填涂导热硅脂，隔绝空气热阻。电加热板下方用石棉板绝热使电加热板产生的热量全
9、部由散热器散出。图 5 实验系统示意图实验过程中为了减少对流场的影响，热电偶从散热器上方引出。为了测定散热器主要部分固体表面温度，在散热器上总共布置了 17 个热电偶测量点。其中 1、2 号热电偶布置在散热器几何中心的肋底和肋顶，3、4 号热电偶布置在散热器中间肋片前端端面上的肋底和肋顶，5、6 号热电偶布置在散热器从左边起第三片肋中间的肋底和肋顶，7 、8 号热电偶布置在散热器从左边起第三片肋前端端面的肋底和肋顶，9、10 号热电偶布置在散热器左边最外侧肋片中间段的肋底和肋顶。1117 号热电偶沿着基板底面对称线上对称布置。通过稳压器和调压器给电加热板供电，当散热器基板底面最高温度在 10m
10、in 内的变化范围小于 0.5左右时，我们认为电加热板的加热量和散热器的散热量达到平衡。此后采集各个测量点的温度值。1.3 数值计算和实验结果的对比分析本文中实验加热功率间隔为 20W，从 30110W 的范围内进行，基板底面最高温度分别为 41、55、67、78 和 87。对应的数值计算基板底面最高温度分别为41、53、65 、75 和 88。从实验和数值计算结果可以看出随着加热功率的提高，散热器的基板底面最高温度也随之提高，成线性变化。实验结果和数值计算结果的对比如图 6 所示，相对误差率在 1%范围内，说明数值分析结果是可靠的。图 6 实验结果与数值结果的对比2 散热器自然对流过程分析散
11、热器自然对流过程中，基板底面不断地提供热量，由于散热器材料良好的导热性，热量使散热器温度不断提高。靠近散热器周围的空气受热，密度变小，与远离散热器的空气形成密度差，产生了浮力。在散热过程中，数值计算结果可以得到在 Y-Z 面中的速度矢量场如图 7 所示。可以直观地看出空气因为散热器的基板底面在浮力的作用下，扰流冷却散热器的时候，空气直接从散热器四周往上走，却不能进入散热器肋片间对散热器进行冷却。在电加热板的加热量与散热器的散热量平衡时，散热器肋片都成了等温壁面。速度又是由温度差引起的，速度小导致空气的浮生力小于粘性力。散热器周围的冷空气从散热器四周往上运动，到最终混为一起的时候，在散热器肋片的
12、上方形成了一个很大的滞流区域。从图 8 X-Z 面的速度矢量图可以看出在肋片方向上的滞流区域里的两端形成了两个小涡，阻止了周围空气进入散热器肋片里。又因为在粘性力的作用下，这个滞流区域里空气流速非常小，所以在这样的结构下，散热器的肋片就没有充分发挥出自然对流的散热效果。3 散热器结构改进自然对流的散热强度不仅取决于流速、温差和流体物性，还取决于速度场和温度场的协同。从数值计算结果分析来看，为了提高散热器的散热能力，降低基板底面最高温度可以有两种方法：(1) 把散热器做得更大，散热器体积越大，其热容量越大，其散热面积也越大，还等同于降低了单位热流密度。但缺点是增加成本，浪费金属材料；(2)通过改
13、变空气扰流流场线，让速度场和温度场的协同性更好。把原有散热器模型加工成如图 9 所示，让空气在浮力的作用下可以在散热器中间实现上下流通，扰流肋片，增大空气扰流面积。这样不仅可以破坏散热器上面的滞流区域，还增大了空气流通量，更充分冷却散热器。图 9 散热器新结构示意图为了分析新结构散热器的散热能力，对比实验验证了数值计算可靠性，所以我们采用同样的数学模型、网格划分、计算方法和边界条件来数值计算分析，这样省时，高效，成本低。计算结果显示散热器新结构的基板底面温度分布图如图 10 所示。在相同功率下，虽然基板底面受热面积有所减小，底面单位热流密度有所增加。但是散热器的基板底面最高温度依然比原模型降低
14、了 5。肋片平均换热系数也由 5.1W/(m2K)提高为 6.0W/(m2K)。从 X-Z 面，Y-Z 面上的速度矢量图 11、12 可以看出新结构在散热器中间实现了空气上下流通，增加了空气的流通量，受热空气扰流散热器中部肋片时的最大速度也只有 0.9m/s 左右，这种新结构下，当工作环境在有风的条件下，更会强化换热效果，使散热效果更佳。这种新结构加工程序简单，减轻了散热器的重量和总的金属消耗量，也方便于自动化生产及安装。4 结论本文运用 Fluent 软件对大功率 LED 路灯散热器在大空间中自然对流冷却进行了耦合数值计算。对其散热过程进行了分析，得出了如下结论：(1)数值计算结果与实验结果吻合较好，说明本文计算方法的可靠性；(2)数值计算比实验能更好、更科学、更方便地分析散热器的散热过程；(3) 本文设计的散热器新结构，让空气在散热器中间实现上下流通，增加空气流通量，降低了基板底面温度，提高了肋片平均换热系数；(4)底面加工间距对散热器散热能力有显著影响。
