大功率LED路灯散热器自然对流的数值研究[2]

　　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。11～17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10min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30～110W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了5℃。肋片平均换热系数也由5.1W/(m2·K)提高为6.0W/(m2·K)。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。

编辑：Cedar