大功率LED路灯散热器自然对流的数值研究[1]

　　0　引言

　　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。胡红利等人基于半导体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270mm×255mm，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，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，计算机资源(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，κ-ε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1×10-6，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部由散热器散出。

　　图5　实验系统示意图