大功率LED路燈散熱器自然對流的數值研究

隨著LED技術的發展，功率型LED在背光、汽車、戶外照明、商業照明等領域都得到飛速發展。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LED基板傳導到外部安裝的散熱裝置來進行散熱。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，要滿足防塵、防水、雷擊、風壓等多方面的要求，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軟件進行建模分析，改變散熱器結構的幾何參數，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構進行了熱分析，分析了鋁制熱沉不同結構參數對其溫度場的影響情況。通過模擬優化，有效減小了散熱器的質量，優化了散熱器的結構。胡紅利等人基于半導體熱電元件和熱管技術來控制LED燈散熱，并增加一個余熱回收系統，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。雖然計算區域只有散熱器本身，大大地簡化了計算量，減少計算時間，方便散熱器設計，但由于幾何結構上的復雜性，平均換熱系數必須通過實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行了三維數值模擬優化，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路燈產業化應用受阻。本文采用Fluent軟件對這種散熱器進行了三維建模分析，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，對散熱器的結構進行了改進。

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、網格劃分以及邊界條件的設立都在Fluent前處理軟件Gambit中進行。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

　　為了滿足散熱器自然對流耦合計算的準確性，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格，會造成劃分的網格太多，計算機資源(內存、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格畫法。這樣散熱器和散熱器附近的空氣流動區域可以采用較小的網格單元間隔來劃分，離散熱器較遠的空氣流動區域可以采用疏網格。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合處為導熱對流換熱的耦合問題，肋片與周圍空氣發生自然對流換熱。因此，近似地把問題看作是三維、穩態、常物性、有內熱源的導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：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)密度僅考慮動量方程中與體積力有關的項，其余各項中的密度作常數處理。數值計算時，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一的傳熱過程來求解。計算區域采用有限容積法在同位網格上進行控制方程的離散，κ-ε雙方程模型求解。文獻指出在整場求解時，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，動量和能量方程中的對流項均采用二階迎風格式，壓力項采用PRESTO！格式。我們做了網格獨立性的考核，其標準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。　　1.1.3　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行自然對流換熱，該計算域大空間的六個面均設為壓力入口邊界條件，環境壓力為一個大氣壓。

　　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。當環境溫度為23℃時，數值計算得到散熱器肋片和基板