王宛瑩 張宇鑫 鄭雙金 盧思宇

摘 ?要：隨著LED燈具功率的增大，LED散熱問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，基于此設(shè)計(jì)出一種分段凹槽式散熱器。采用COMSOL軟件進(jìn)行三維模擬仿真，模擬研究了分段凹槽式與平板翅片式散熱器的散熱情況。通過(guò)分析溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)計(jì)算云圖，結(jié)果顯示分段凹槽式散熱器在降低熱界面溫度性能上明顯優(yōu)于平板翅片式。研究結(jié)果為燈具散熱設(shè)計(jì)提供依據(jù)。理論上在大功率 LED 燈中安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)后的散熱片可以很好地解決燈具工作時(shí)的散熱問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：COMSOL;數(shù)值模擬;分段凹槽;散熱器

中圖分類(lèi)號(hào)：U262 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

LED被廣泛地應(yīng)用于生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，其照明可比白熾燈節(jié)省80%～90%的電能，而且其壽命是白熾燈的20倍以上。但目前，LED整體工作效能不是很好，只有 15%～20% 的電能量成功轉(zhuǎn)化為光能，而剩余的 80%～85% 的電能量則通過(guò)其他形式轉(zhuǎn)化為熱能，因此對(duì)大功率 LED 燈具散熱器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，如何使 LED 燈工作時(shí)產(chǎn)生的熱能以最快的方式散發(fā)出去這一關(guān)鍵問(wèn)題被國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界關(guān)注，進(jìn)而進(jìn)行了大量研究。LED 燈具主要通過(guò)散熱器進(jìn)行散熱，但從散熱器自身的結(jié)構(gòu)考慮，平板翅片式散熱器中平行排列的翅片使通過(guò)散熱器的氣流變得更加均勻，這對(duì)強(qiáng)化換熱是不利的。針對(duì)平板翅片式散熱器的不足，研究者們開(kāi)發(fā)出了許多其他翅片結(jié)構(gòu)形式的散熱，象鋸齒形、翅柱形、打斷翻折型、分段形。

李紅月、梁才航等人做了大量的關(guān)于平板翅片式散熱器散熱性能的研究工作，對(duì)于平板翅片散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)（基板厚度、翅片厚度、間距、數(shù)量、布置方式）等進(jìn)行了大量的優(yōu)化研究;李斌、陶文銓、何雅玲等對(duì)連續(xù)翅片、分段翅片等散熱器進(jìn)行了層流流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)分段翅片性能優(yōu)于連續(xù)翅片;吳新淼、丁肇等基于ANSYS-CFX軟件對(duì)不同參數(shù)下的翅片結(jié)構(gòu)的換熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了較為合適的翅片結(jié)構(gòu)參數(shù);張勇侯、雨田等提出了翅片內(nèi)部加裝交叉擾流柱和擾流片的新型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了流體內(nèi)部的擾動(dòng)，強(qiáng)化流體內(nèi)部的熱量傳遞，換熱效果得到了明顯加強(qiáng);宋源、李士雨等采用FLUENT數(shù)值模擬方法，研究了平直翅片、平直開(kāi)縫翅片、正弦波紋翅片和均勻傾角波紋翅片4種形式的翅片管換熱器的空氣側(cè)流動(dòng)和傳熱特性，得到翅片開(kāi)縫對(duì)傳熱能力有明顯的提升作用。

可見(jiàn)文獻(xiàn)大多集中在平板翅片、連續(xù)翅片和分段翅片的研究，對(duì)分段翅片研究較少。針對(duì)平板翅片式散熱器性能的不足，該文提出了一種新型分段凹槽式散熱器結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用COMSOL軟件在一定風(fēng)速及功率下與平板翅片式散熱器的物理場(chǎng)對(duì)比分析，為L(zhǎng)ED燈具散熱設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)物理模型建立

1.1 幾何模型

板翅式散熱器主要由基板和翅片組成，在COMSOL中建立平板翅片式散熱器與分段凹槽式散熱器計(jì)算模型如圖1、圖2所示，計(jì)算區(qū)域分為流體和固體。它整個(gè)結(jié)構(gòu)的參數(shù)主要有翅片厚度、高度、長(zhǎng)度及基板長(zhǎng)度、寬度和厚度，其主要尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。

在計(jì)算中，流體沿x軸正方向流入，散熱器基板及翅片主要材料為鋁，導(dǎo)熱系數(shù)為237 W/mK，空氣為被加熱流體，因此計(jì)算流體設(shè)為空氣。

1.2 模型簡(jiǎn)化

對(duì)上述的2個(gè)散熱器模型在數(shù)值模擬時(shí)，做出以下假設(shè)。

（1）研究散熱器的維態(tài)，散熱材料均勻。

（2）散熱器的換熱主要為對(duì)流換熱，忽略自然對(duì)流及輻射換熱影響。

（3）假設(shè)流體通道兩側(cè)壁面為絕熱界面，壁面光滑，流體在壁面上無(wú)滑移。

（4）散熱器底面邊界為等熱流密度。

1.3 控制方程及邊界條件

其中，u為空氣流速，ρ為空氣密度，μ為流體的動(dòng)力黏度，為空氣的定壓熱容;ΔT為翅片上、下游之間的溫差。

該文在上述假設(shè)條件下，取整個(gè)散熱器基板及翅片作為對(duì)流換熱的研究對(duì)象，具體的邊界條件做了如下設(shè)定。

（1）空氣入口設(shè)為均勻速度，進(jìn)口風(fēng)速為0.5 m/s，溫度為293 K。

（2）空氣出口為自由出流，與運(yùn)行環(huán)境無(wú)壓差。

（3）設(shè)定熱源功率為40 W。

（4）利用COMSOL中的共軛傳熱模塊，材料物性參數(shù)分別給定見(jiàn)表2，其中固體域用純鋁作材質(zhì)，流體域?yàn)榭諝狻?/p>

1.4 散熱器網(wǎng)格模型

使用COMSOL仿真模擬軟件對(duì)兩種散熱器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分的網(wǎng)格數(shù)目約為537019，得到的網(wǎng)格模型如圖3、圖4 所示。

1.5 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)2種散熱器模型網(wǎng)格考核的對(duì)比圖如圖5所示，從圖5中可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到537 019以后，散熱器最高溫度變化不大，再增加網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算影響較小，所以該文采用537 019個(gè)網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 2種翅片散熱器物理場(chǎng)對(duì)比

圖6顯示了不同結(jié)構(gòu)翅片散熱器的溫度場(chǎng)分布云圖，圖7是不同結(jié)構(gòu)散熱器的壓力場(chǎng)分布云圖。可以看出，分段凹槽式散熱器降溫速度較快，且底面最高溫度低于平板翅片散熱器，但其壓降明顯大于平板翅片散熱器。分段凹槽翅片由于段間距及凹槽的存在破壞了原邊界層，促進(jìn)流體的混合，減少了漩渦死滯區(qū)，在段間距及凹槽處形成了新的邊界層，有冷空氣進(jìn)入，較平板翅片換熱性能好，但是也付出了壓降增加的代價(jià)。

3 結(jié)論

該文針對(duì)大功率LED燈的散熱問(wèn)題采用COMSOL仿真軟件對(duì)分段凹槽片式與平板翅片式散熱器物理場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，主要結(jié)論如下。

分段凹槽式翅片散熱器在降溫速度上明顯優(yōu)于平板翅片式，且降低了熱界面的最高溫度。

分段凹槽式散熱器壓降明顯大于平板翅片式。

參考文獻(xiàn)

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