大功率LED路灯散热器自然对流的数值研究

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

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。