大功率LED路燈散熱器自然對流的數(shù)值研究

圖3　散熱器肋片溫度分布圖

圖4　散熱器基板底面溫度分布圖

　　1.2　實(shí)驗(yàn)分析

　　為了確保數(shù)值計(jì)算所選的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格劃分、計(jì)算方法和邊界條件的可靠性，我們做了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)測量過程在一個(gè)不受干擾的封閉空間進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖5所示。在試驗(yàn)中，散熱器基板底面覆以電加熱板，用以模擬LED燈組產(chǎn)生的熱量。并在基板與電加熱板間填涂導(dǎo)熱硅脂，隔絕空氣熱阻。電加熱板下方用石棉板絕熱使電加熱板產(chǎn)生的熱量全部由散熱器散出。

圖5　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

　　實(shí)驗(yàn)過程中為了減少對流場的影響，熱電偶從散熱器上方引出。為了測定散熱器主要部分固體表面溫度，在散熱器上總共布置了17個(gè)熱電偶測量點(diǎn)。其中1、2號熱電偶布置在散熱器幾何中心的肋底和肋頂，3、4號熱電偶布置在散熱器中間肋片前端端面上的肋底和肋頂，5、6號熱電偶布置在散熱器從左邊起第三片肋中間的肋底和肋頂，7、8號熱電偶布置在散熱器從左邊起第三片肋前端端面的肋底和肋頂，9、10號熱電偶布置在散熱器左邊最外側(cè)肋片中間段的肋底和肋頂。11～17號熱電偶沿著基板底面對稱線上對稱布置。通過穩(wěn)壓器和調(diào)壓器給電加熱板供電，當(dāng)散熱器基板底面最高溫度在10min內(nèi)的變化范圍小于0.5℃左右時(shí)，我們認(rèn)為電加熱板的加熱量和散熱器的散熱量達(dá)到平衡。此后采集各個(gè)測量點(diǎn)的溫度值。

　　1.3　數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析

　　本文中實(shí)驗(yàn)加熱功率間隔為20W，從30～110W的范圍內(nèi)進(jìn)行，基板底面最高溫度分別為41、55、67、78和87℃。對應(yīng)的數(shù)值計(jì)算基板底面最高溫度分別為41、53、65、75和88℃。從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以看出隨著加熱功率的提高，散熱器的基板底面最高溫度也隨之提高，成線性變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對比如圖6所示，相對誤差率在1%范圍內(nèi)，說明數(shù)值分析結(jié)果是可靠的。

圖6　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比　　2　散熱器自然對流過程分析

　　散熱器自然對流過程中，基板底面不斷地提供熱量，由于散熱器材料良好的導(dǎo)熱性，熱量使散熱器溫度不斷提高。靠近散熱器周圍的空氣受熱，密度變小，與遠(yuǎn)離散熱器的空氣形成密度差，產(chǎn)生了浮力。在散熱過程中，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可以得到在Y-Z面中的速度矢量場如圖7所示?？梢灾庇^地看出空氣因?yàn)樯崞鞯幕宓酌嬖诟×Φ淖饔孟?，擾流冷卻散熱器的時(shí)候，空氣直接從散熱器四周往上走，卻不能進(jìn)入散熱器肋片間對散熱器進(jìn)行冷卻。在電加熱板的加熱量與散熱器的散熱量平衡時(shí)，散熱器肋片都成了等溫壁面。速度又是由溫度差引起的，速度小導(dǎo)致空氣的浮生力小于粘性力。散熱器周圍的冷空氣從散熱器四周往上運(yùn)動(dòng)，到最終混為一起的時(shí)候，在散熱器肋片的上方形成了一個(gè)很大的滯流區(qū)域。從圖8　X-Z面的速度矢量圖可以看出在肋片方向上的滯流區(qū)域里的兩端形成了兩個(gè)小渦，阻止了周圍空氣進(jìn)入散熱器肋片里。又因?yàn)樵谡承粤Φ淖饔孟?，這個(gè)滯流區(qū)域里空氣流速非常小，所以在這樣的結(jié)構(gòu)下，散熱器的肋片就沒有充分發(fā)揮出自然對流的散熱效果。

　　3　散熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

　　自然對流的散熱強(qiáng)度不僅取決于流速、溫差和流體物性，還取決于速度場和溫度場的協(xié)同。從數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析來看，為了提高散熱器的散熱能力，降低基板底面最高溫度可以有兩種方法：(1)把散熱器做得更大，散熱器體積越大，其熱容量越大，其散熱面積也越大，還等同于降低了單位熱流密度。但缺點(diǎn)是增加成本，浪費(fèi)金屬材料；(2)通過改變空氣擾流流場線，讓速度場和溫度場的協(xié)同性更好。把原有散熱器模型加工成如圖9所示，讓空氣在浮力的作用下可以在散熱器中間實(shí)現(xiàn)上下流通，擾流肋片，增大空氣擾流面積。這樣不僅可以破壞散熱器上面的滯流區(qū)域，還增大了空氣流通量，更充分冷卻散熱器。

圖9　散熱器新結(jié)構(gòu)示意圖

　　為了分析新結(jié)構(gòu)散熱器的散熱能力，對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算可靠性，所以我們采用同樣的數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格劃分、計(jì)算方法和邊界條件來數(shù)值計(jì)算分析，這樣省時(shí)，高效，成本低。計(jì)算結(jié)果顯示散熱器新結(jié)構(gòu)的基板底面溫度分