分段凹槽式散熱器數(shù)值模擬

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散熱問題越來越受到關(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。通過分析溫度場與壓力場計(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)的散熱問題。

關(guān)鍵詞：COMSOL;數(shù)值模擬;分段凹槽;散熱器

中圖分類號：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% 的電能量則通過其他形式轉(zhuǎn)化為熱能，因此對大功率 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，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)鍵問題被國內(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散熱器的氣流變得更加均勻，這對強(qiáng)化換熱是不利的。針對平板翅片式散熱器的不足，研究者們開發(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、何雅玲等對連續(xù)翅片、分段翅片等散熱器進(jìn)行了層流流動與換熱的數(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軟件對不同參數(shù)下的翅片結(jié)構(gòu)的換熱過程進(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，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)流動和傳熱特性，得到翅片開縫對傳熱能力有明顯的提升作用。

可見文獻(xiàn)大多集中在平板翅片、連續(xù)翅片和分段翅片的研究，對分段翅片研究較少。針對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對比分析，為LED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、長度及基板長度、寬度和厚度，其主要尺寸參數(shù)見表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 模型簡化

對上述的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流換熱，忽略自然對流及輻射換熱影響。

（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流換熱的研究對象，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)格無關(guān)性驗(yàn)證

對2種散熱器模型網(wǎng)格考核的對比圖如圖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對比

圖6顯示了不同結(jié)構(gòu)翅片散熱器的溫度場分布云圖，圖7是不同結(jié)構(gòu)散熱器的壓力場分布云圖?？梢钥闯?，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

該文針對大功率LED燈的散熱問題采用COMSOL仿真軟件對分段凹槽片式與平板翅片式散熱器物理場進(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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