聶宇宏，梁 融，姚壽廣，聶德云

(江蘇科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

大功率發(fā)光二極管(LED)作為第四代照明光源，以其綠色節(jié)能、高效環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)領(lǐng)域中［1-2］.發(fā)展至今，散熱問題仍是制約LED大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，LED的發(fā)光效率僅在20%左右，約80%的能量轉(zhuǎn)化為熱量［3］.因此，如何快速高效的帶走芯片發(fā)出的熱量，是LED燈具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一［4］.對于大部分應(yīng)用于日常生活的LED光源，主要的散熱形式是利用翅片在自然對流條件下散熱.近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者也對翅片散熱情況進(jìn)行了大量研究，文獻(xiàn)［5］中對平行翅片對流傳熱進(jìn)行了大量數(shù)值模擬，并提出最佳化形狀因子的概念.文獻(xiàn)［6］中對沿翅片長度方向穿孔進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方式具備優(yōu)良性能.但在自然對流情況下，對于特定形狀的翅片散熱研究尚不充分，所以文中對家用LED燈具翅片散熱器的散熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了其傳熱特性，用測溫儀測量了不同功率下散熱器基板的溫度，得出其溫度隨加熱時間的變化趨勢，并進(jìn)行了理論分析.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果

為了研究LED翅片散熱器自然對流下的傳熱性能，對圖1所示LED燈具裝置進(jìn)行溫度測量，將燈具放置在溫度恒定且無空氣流動的房間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)時室內(nèi)溫度為27℃.LED燈的功率分別為3，5，7 W，不同功率燈具的結(jié)構(gòu)基本相同，LED燈具翅片散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸列于表1.溫度測量采用紅外測溫儀，如圖2(型號為特安斯TASI-8606)所示，測試量程-32～380℃，重復(fù)性為±1.5℃，分辨率為0.1℃.

圖1 LED燈具裝置Fig.1 LED lamp structure

圖2 測量儀器Fig.2 Measuring instrument

表1 散熱器尺寸Table 1 Dimensional parameters of radiator

實(shí)驗(yàn)主要測量不同功率下基板表面的溫度隨時間的變化，測量位置如圖3所示，A，B，C為基板上的3個小區(qū)域.

圖3 測量點(diǎn)Fig.3 Measuring points

測量時，為減小誤差，每次對A，B，C 3個測試點(diǎn)進(jìn)行溫度測試，再對3個點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)取平均值作為此次測試的基板溫度.每個測試對象，在60 min內(nèi)，進(jìn)行30次溫度測量并記錄30個溫度-時間數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些數(shù)據(jù)分別做出不同功率下LED散熱器基板溫度T隨時間t的變化曲線(圖4).

由圖4可以看出，通電后，隨著加熱的進(jìn)行，基板溫度T迅速上升，在20 min左右溫度達(dá)到最大值，隨后溫度減小，在25 min以后溫度基本穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)態(tài).這與文獻(xiàn)［7］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，都說明LED燈從開啟到達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程中，會出現(xiàn)一個溫度的極大值，這一點(diǎn)的出現(xiàn)通常在開啟后的20～22 min.不同功率燈具極大值點(diǎn)的位置，以及達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間基本相同，只是最大溫度值和達(dá)到穩(wěn)定后的溫度值不同.當(dāng)LED燈功率為3，5，7 W時，最大溫度值分別為325，327，329.2 K，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的溫度分別為323，326，328 K.

圖4 基板溫度隨時間變化曲線Fig.4 Bottom surface of substrate temperature variation with time

翅片散熱器的散熱過程是由散熱器本身的導(dǎo)熱和翅片與周圍空氣的自然對流傳熱這兩個不同的傳熱環(huán)節(jié)組成的.在自然對流過程中，一般采用格拉曉夫數(shù)Gr作為判斷流動形態(tài)轉(zhuǎn)變的依據(jù)，但由于翅片的存在，空氣在翅片間的流動，屬于通道內(nèi)模型，所以要用雷諾數(shù)Re的大小來判斷空氣的流態(tài)［8］.隨著溫度上升，自然對流增強(qiáng)，空氣流速加快，在20 min時溫度達(dá)到最大值，此時針對實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸、物性和流速計(jì)算得到的Re為1300～1350，而一般內(nèi)部流動Re＞2000，即開始從層流向湍流過渡，考慮散熱器翅片尺寸和翅片間距相對較小，不可用一般通道內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)來衡量，故根據(jù)本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在豎直放置的翅片散熱器中，Re達(dá)到1300，流態(tài)就開始向湍流過渡.由于湍流的出現(xiàn)強(qiáng)化了傳熱，使得溫度在達(dá)到最大值后出現(xiàn)降低.

2 數(shù)值模擬

由以上實(shí)驗(yàn)可以得出LED翅片散熱器基板溫度隨時間的變化，但無法得到翅片散熱器的其他傳熱性能.為了全面地分析LED散熱器的傳熱特性，對圖1所示的LED燈具的傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，考慮到一般家用LED燈工作時間較長，大多處于穩(wěn)態(tài)，所以利用CFD數(shù)值計(jì)算軟件對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析.

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算域由散熱器本身和其周圍的空氣域組成，分別定義散熱器為固體域，周圍空氣為流體域.為了使模擬條件與實(shí)驗(yàn)時放置燈具的無流動房間一致，空氣計(jì)算域必須取的足夠大，大空間的邊界條件取為壓力入口邊界條件.考慮溫差而引起的浮升力作用，所以在計(jì)算中引入了Boussinesq假設(shè).

針對物理模型，主要控制方程如下:連續(xù)性方程:

動量方程:

能量方程:

式中:u為x軸速度分量;v為y軸速度分量;w為z軸速度分量;ρa(bǔ)為室環(huán)境空氣密度;k為導(dǎo)熱率數(shù);Cp為定壓比熱容.

邊界條件取為:大空間為壓力進(jìn)口，散熱器基板底面根據(jù)不同功率給定熱流邊界，而肋片與空氣接觸的計(jì)算面，為自然對流換熱耦合計(jì)算面，在固體邊界上對速度取無滑移邊界條件(no-slip boundary condition)，即在固體邊界上流體的速度等于固體表面的速度.

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

當(dāng)LED燈功率為7W時，翅片散熱器內(nèi)的溫度分布如圖5.

從圖5中可以看出，由基板發(fā)熱面產(chǎn)生的熱量沿著散熱器基座及翅片伸展方向傳遞，由于基座呈圓柱形，以及翅片的均勻分布，可以看出整體的溫度分布比較一致，熱量在翅片散熱器內(nèi)的熱傳導(dǎo)過程，并不是沿單一的方向傳遞，在整個溫度場中，肋片底端的溫度是最低的.表2為基板實(shí)測溫度和數(shù)值模擬溫度的比較.

圖5 散熱器內(nèi)溫度分布Fig.5 Radiator temperature distribution

表2 基板實(shí)測和模擬溫度結(jié)果Table 2 Experimertal and simulation results of substrate temperature

從表中可以看到，實(shí)驗(yàn)測量值普遍比模擬計(jì)算值高2～3 K，以功率為7 W的樣品為例，實(shí)測基板最高溫度穩(wěn)定在328K，與數(shù)值模擬的325K相差3 K，相對誤差為0.91%.相對誤差較小，在允許范圍內(nèi)，所以模擬結(jié)果是較為準(zhǔn)確的，證實(shí)了模擬的可靠性.根據(jù)CFD軟件導(dǎo)出單個翅片內(nèi)表面的熱流密度，再由此根據(jù)公式:

式中:q為熱流密度，W/m2;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K);Δt為溫差.

計(jì)算出不同功率下LED散熱器單個翅片平均的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 單個翅片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)Fig.6 Tinsurface heat transfer coefficient

圖6中，L為翅片長度，隨著功率的增大，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)略有增加，但影響不大，總體的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)在4.60～4.62 W/m2·K-1.這與文獻(xiàn)［8］給出簡化公式的計(jì)算結(jié)果一致，如果用大空間豎壁自然對流的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算［9-10］，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為9.1 W/m2·K-1，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差較大，說明對于豎直放置的翅片散熱器，不能用大空間豎壁自然對流的理論進(jìn)行分析，而應(yīng)該用通道內(nèi)的流動進(jìn)行分析，這與前面的實(shí)驗(yàn)研究及分析也是一致的.

3 結(jié)論

1)LED燈開啟后，隨著散熱器溫度上升，翅片與環(huán)境間的自然對流增強(qiáng)，使得翅片間空氣速度增加，溫度升高到一定值時，空氣流態(tài)從層流向湍流過渡，由于流態(tài)的變化，引起表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增大，使得散熱器的溫度在達(dá)到穩(wěn)態(tài)前有一極值.

2)對于同一種結(jié)構(gòu)的翅片散熱器，隨著熱負(fù)荷的增加，加強(qiáng)了空氣流動，傳熱系數(shù)有增大的趨勢，但差別不大;對于文中所研究的翅片散熱器，其表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)基本不隨位置的變化而變化.

3)對于豎直放置的LED翅片散熱器，大空間自然對流的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式不適用，應(yīng)選用簡化公式;流態(tài)的變化應(yīng)使用Re數(shù)進(jìn)行判斷.

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