大功率LED散熱器的空氣強制對流冷卻研究

周俊杰+繩冉冉+李雪麗

摘 要： 為了解決大功率LED的散熱問題，以數(shù)值計算的方法研究平片散熱器內(nèi)部流體的流動換熱特性。該文基于COMSOL Multiphysics平臺對三種不同湍流模型進行考核，并在此基礎(chǔ)上對連續(xù)平片和分段平片散熱器的散熱性能進行比較分析。計算結(jié)果表明，標(biāo)準k?ε模型精度最高；當(dāng)入口風(fēng)速由1 m/s增大到9 m/s時，分段平片相對于連續(xù)平片換熱系數(shù)提高了5%～10%，阻力因子降低了3.5%～7.12%。此研究為散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)和計算數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞： 大功率LED； 散熱器； 湍流模型； 分段平片； 傳熱分析

中圖分類號： TN011+.3?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0001?03

Study on air forced convection cooling for high?power LED heat sink

ZHOU Junjie， SHENG Ranran， LI Xueli

（School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： Aiming at the heat dissipation problem of the high?power LED， the numerical calculation method is used to study the flow heat interchange characteristic of the fluid inside the plain film heat sink. On the basis of the COMSOL Multiphysics platform， three different turbulence models were examined. On this basis， the comparative analysis for the heat dispersion performance of the heat sinks with continuous plain film and discrete plate film was carried on. The calculation results show that the accuracy of the standard k?? model is the highest； in comparison with the continuous plain film， the heat transfer coefficient of the discrete plate film is increased by 5%～10% and its resistance factor is decreased by 3.5%～7.12% when the inlet velocity is increased from 1 m/s to 9 m/s. This study provides the theoretical basis and calculation data for the optimization design of the heat sink structure.

Keywords： high?power LED； heat sink； turbulence model； discrete plate film； heat transfer analysis

0 引 言

隨著LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，高功率、高品質(zhì)、小尺寸的LED已經(jīng)成為重要的發(fā)展趨勢。然而散熱一直是制約LED發(fā)展的關(guān)鍵因素。翅片散熱器以其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，可操作性強等優(yōu)點在大功率LED熱管理中被廣泛采用，并得到國內(nèi)外學(xué)者的一致認同。Byung?Ho Kim等分別對LED芯片尺寸、數(shù)量以及基板厚度進行了研究，發(fā)現(xiàn)芯片結(jié)溫與芯片位置關(guān)聯(lián)性很大，基板厚度減小、芯片尺寸增加可以降低結(jié)溫[1?2]。李驥等人比較了基板水平放置和豎直放置熱沉的散熱性能[3]。梁才航、王長宏等分析了底板邊長、翅片高度、厚度、間距等幾何參數(shù)對LED結(jié)溫的影響[4?5]。李灝使用正交試驗法對太陽花散熱器進行模擬優(yōu)化設(shè)計，并考察了尺寸參數(shù)對散熱器重量與LED最高溫度的影響[6]。周建輝、徐國強采用遺傳優(yōu)化算法，分別對平直翅片散熱器和叉指式散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[7?8]。Arik等將平板式和柱狀式兩種翅片的散熱性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)柱狀散熱器使熱量傳遞更迅速，使散熱片溫度的分布更均勻[9?10]。

通過對近年來國內(nèi)外專家對LED散熱技術(shù)的研究成果進行歸納和比較，本文利用COMSOL Multiphysics的耦合場分析功能對大功率LED采用空氣冷卻時的散熱過程進行數(shù)值模擬，在對三種不同湍流模型（標(biāo)準，標(biāo)準，SST）進行考核的基礎(chǔ)上，分析比較連續(xù)平片和分段平片散熱器的散熱性能。

1 計算模型及邊界條件

由于平板翅片散熱器每個肋片的散熱過程都相同且對稱，取散熱器中央的一個流道，左右兩側(cè)各取肋片厚的一半作為計算單元。將計算單元放置在矩形通道中進行數(shù)值模擬。三維計算模型見圖1。計算單元及矩形通道的尺寸參數(shù)如表1所示。

將模型的計算區(qū)域分成兩個部分，散熱器為固體區(qū)域，矩形通道只有空氣流過，作為流體區(qū)域。三維流體區(qū)域空氣采用不可壓縮模型，數(shù)值模擬時做如下假設(shè)：流體物性參數(shù)為常數(shù)；主要為強制對流換熱，沿肋厚方向的導(dǎo)熱忽略不計；出口滿足局部單向化。為了得到散熱器內(nèi)部流體的流動和換熱特性，計算對三維不可壓情況下的湍流流動方程進行穩(wěn)態(tài)求解。計算中采用有限元法對偏微分方程組進行求解。邊界條件選取為：進口邊界給定流體的平均速度，并取等溫邊界條件，溫度為293.15 K；自由出流，與運行環(huán)境無壓差；翅片底面采用固定熱流量壁面邊界條件，底面熱流密度設(shè)定為100 000 W·m-2；通道兩外側(cè)壁設(shè)為絕熱邊界，采用無滑移壁面條件；流固耦合面上的邊界條件的設(shè)置按照壁面函數(shù)法確定。采用共軛計算方法，物性參數(shù)分別給定，其中固體域用純鋁作材質(zhì)，流體域為空氣。采用非結(jié)構(gòu)化三維混合網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散化，經(jīng)考核，最終選用網(wǎng)格數(shù)量為22萬。

2 不同湍流模型數(shù)值模擬及分析

在本文計算中采用的進口流速為1～9 m/s的情況下，雷諾數(shù)的大小為2 349～21 143，屬于湍流范圍。因此，流動情況為湍流工況。不同湍流模型在數(shù)值模擬計算中發(fā)揮著不同的作用，由于湍流運動物理上的漩渦流動和數(shù)學(xué)上的強烈非線性，對于不同情景下的相同湍流模型可能得出不同的結(jié)論，使得理論實驗和數(shù)值模擬都很難解決湍流問題，所以選用正確的湍流模型至關(guān)重要。本文對標(biāo)準，標(biāo)準及剪切力傳輸模型SST三種常見的湍流模型對散熱器散熱性能的影響進行了研究。圖2顯示了不同入口速度下不同湍流模型的中心區(qū)速度變化情況。三種湍流模型的中心區(qū)速度都是先逐漸增加后逐漸減小。和兩種模型的中心區(qū)速度差別不大，SST模型的中心區(qū)速度與另外兩種模型差別較大。隨著入口速度的增加，SST模型與另兩種模型差值減小。這種現(xiàn)象可以通過邊界層理論來解釋，在距離中心-50 mm之前邊界層的影響使部分流體被迫擠入散熱器流道內(nèi)，使得中心區(qū)的速度增大，隨著流動傳熱的進行，中心區(qū)流體溫度慢慢降低，中心流體開始與壁面邊界層流體混合，使流動速度減小。

圖3為不同湍流模型阻力因子隨雷諾數(shù)的變化，圖4為不同湍流模型壓降隨入口速度的變化。由圖3、圖4可以看出，SST模型與另兩種模型差值都很大。

文獻[7]中擬合出阻力因子和散熱器相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián)式為：

式中：s為翅片間距；t為翅片厚度；L為翅片長度；當(dāng)雷諾數(shù)（Re）為5 138時，根據(jù)上述公式計算的三種湍流模型阻力因子模擬誤差見表2。

由表2可清晰地看出，標(biāo)準模型相對誤差最小，精度高，所以計算工況湍流模型采用標(biāo)準模型。

3 連續(xù)平片和分段平片的散熱性能比較

由于LED散熱器的翅片與管翅式換熱器管外翅片部分類似，受管翅式換熱器發(fā)展歷程的啟發(fā)[11]，可以把翅片開縫的設(shè)計思想應(yīng)用到LED的平板翅片散熱器上。因此，本研究將分段間隔為2 mm的分段平片散熱器和連續(xù)平片散熱器的散熱性能進行對比。圖5和圖6分別為Z=0截面處兩種翅片散熱器溫度場云圖和壓力場云圖（Z=0截面是指散熱基板與分段翅片接觸的平面）。由圖5可知分段平片相對于連續(xù)平片，翅片上的最高溫度降低了。這是由于當(dāng)空氣進入分段翅片區(qū)域時，分段間隔中斷了空氣在平直基片上的熱邊界層的繼續(xù)形成，同時，在分段間隔處有冷空氣進入，促進了流體的混合，減少了漩渦死滯區(qū)，增強了空氣與分段翅片間的對流傳熱過程，提高了散熱器的散熱性能。圖6結(jié)果顯示分段平片的壓降大于連續(xù)平片壓降，說明分段平片散熱器在提高散熱性能的同時，也付出了壓降增加的代價。

圖7顯示了兩種翅片結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)h隨速度U的變化曲線。由圖7可知，兩種翅片結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)均隨速度的增大而增大，并且分段平片的換熱系數(shù)總大于連續(xù)平片的。圖8顯示了兩種翅片結(jié)構(gòu)的阻力因子f隨雷諾數(shù)Re的變化曲線。由圖8可知，兩種翅片結(jié)構(gòu)的阻力因子均隨雷諾數(shù)的增大而減小，并且分段平片的阻力因子總小于連續(xù)平片的。經(jīng)計算，當(dāng)入口風(fēng)速由1 m/s增大到9 m/s，分段平片相對于連續(xù)平片換熱系數(shù)提高5%～10%，阻力因子降低3.5%～7.12%，說明分段平片散熱器具有更好的散熱性能。

4 結(jié) 論

本研究建立了平板翅片散熱器的三維計算模型，在對湍流模型進行考核的基礎(chǔ)上，比較分析了連續(xù)平片和分段平片的散熱性能。主要結(jié)論如下：三種湍流模型相比，標(biāo)準模型誤差最小，精度最高，SST模型誤差較大。當(dāng)入口風(fēng)速由1 m/s增大到9 m/s，分段平片相對于連續(xù)平片換熱系數(shù)提高了5%～10%，同時阻力因子降低了3.5%～7.12%。相對于連續(xù)平片散熱器，分段平片散熱器具有更好的散熱性能。

參考文獻

[1] KIM B H， MOON C H. Comparison of the thermal performance of the multichip LED packages [J]. Components packaging and manufacturing technology， 2012， 2（11）： 1832?1837.

[2] LEE H K， LEE D H， SONG Y M， et al. Thermal measurements and analysis of A1GaInP/GaInP MQW red LEDs with different chip sizes and substrate thickness [J]. Solid?state electronics， 2011， 56： 79?84.

[3] 史忠山，李驥.自然對流板肋熱沉的三維數(shù)值結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制冷學(xué)報，2013（1）：45?51.

[4] 梁才航，楊永旺，何壯.LED路燈散熱器散熱性能的數(shù)值模擬[J].照明工程學(xué)報，2016，27（1）：124?128.

[5] 王長宏，謝澤濤，鄒大樞，等.大功率LED散熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].電子元件與材料，2015，34（6）：44?47.

[6] 李灝，錢新明，陳威.LED太陽花散熱器正交試驗?zāi)M優(yōu)化設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2016，27（1）：119?123.

[7] 周建輝，楊春信.CPU散熱器熱分析與優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（18）：1?4.

[8] 徐國強，王夢，陶智，等.叉指式散熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（20）：1?3.

[9] MEHMET A， CHARLES B， STANTON W， et a1.Thermal management of LEDs： package to system [J]. Proceedings of SPIE， 2004， 5187： 64?75.

[10] 李艷紅，劉吉普.CPU熱柱散熱器實驗研究與溫度場數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（6）：178?180.

[11] CHENG Yongpan， QU Zhiguo， TAO Wenquan， et al. Numerical design of efficient slotted fin surface based on the field synergy principle [J]. Numerical heat transfer applications，2004， 45（6）： 517?538.