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2013-1223

大功率欧博娱乐的散热器天然对流数值研讨

    汉鼎LED路灯厂家:随着LED技能的开展,功率型LED在背光、汽车、户外照明、贸易照明等范畴都失掉飞速开展。但是现在单颗LED的输入光通量较低,关于户外照明,需求将LED集成才 能到达所需的亮度。在LED的光电转化中,只要10%20%的电能转化为光输入,其他的转化为热能,热量经过LED基板传导到内部装置的散热安装来停止 散热。为了包管LED路灯的寿命和牢靠性,LED芯片结温要控制在120℃以下。LED用于路途照明或隧道照明,要满意防尘、防水、雷击、风压等多方面的要求,以是大功率LED路灯散热器接纳天然对流这种冷却方法最佳。

  针对大功率LED路灯的散热困难,国际外学者或制造者在散热器构造和资料上做了许多任务。刘静等人-接纳等效电路的热阻法盘算了大功率LED照明器 的热阻,并预算了散热器的面积,然后应用Icepak软件停止建模剖析,改动散热器构造的多少参数,经过剖析比拟得出翅片高度变革对散热功能影响最分明。 张琦等人接纳ANSYS无限元软件对其散热构造停止了热剖析,剖析了铝制热沉差别构造参数对其温度场的影响状况。经过模仿优化,无效减小了散热器的质量, 优化了散热器的构造。胡盈余等人基于半导体热电元件和热管技能来控制LED灯散热,并添加一个余热接纳零碎,构造庞大,附件多,影响其任务的波动性。张雪 粉设计了多种大功率LED散热器模子,但对各个散热器在天然对流的模仿剖析进程中,对其外表均接纳定值均匀换热系数。固然盘算地区只要散热器自身,大大地 简化了盘算量,增加盘算工夫,方便散热器设计,但由于多少构造上的庞大性,均匀换热系数必需经过实行与数值盘算重复校正才干精确失掉。 L.Dialameh等人对翅片散热器停止了三维数值模仿优化,剖析了差别肋片高度与肋片间距中氛围的速率巨细散布状况;在差别的肋高和肋间距下,得出肋 片差别的均匀换热系数。

  惯例的50WLED路灯散热器形状如图1所示,其体积大,糜费的金属资料多,本钱居高不下,招致大功率LED财产化使用受阻。本文接纳Fluent软件对这种散热器停止了三维建模剖析,研讨了散热器在大空间中天然对流换热的耦合传热题目;研讨了散热器散热进程 中的温度场与四周氛围活动的矢量场,对散热器的构造停止了改良。

  

1 LED路灯散热器形状表示图

  1 散热器剖析

  1.1 数值剖析

  2.1.1.1 盘算域

   三维物理模子的树立、网格分别以及界限条件的设立都在Fluent前处置软件Gambit中停止。模子盘算域如图2所示,基板厚4mm,基板底面 270mm×255mm,肋片厚2mm,两头最大间距为16mm,其他均为12mm,肋片高度从外侧到两头顺次为 32,33,33,34,34,35,35,36,3637mm。

  

2 散热器数值盘算模子表示图

   为了满意散热器天然对流耦算计算的精确性,氛围活动域必需获得充足大,大空间才干实用压力入口界限条件。但是盘算域太大,散热器四周又要求充足密的网 格,会形成分别的网格太多,盘算机资源(内存、CPU)缺乏,盘算太慢等题目。以是我们需求将盘算域接纳多层网格画法。如许散热器和散热器左近的氛围活动 地区可以接纳较小的网格单位距离来分别,团圆热器较远的氛围活动地区可以接纳疏网格。如许能增加盘算量,延长盘算工夫。

  1.1.2 盘算办法

   散热器基板底面不时地提供热量,基板和散热器肋片联合处为导热对流换热的耦合题目,肋片与四周氛围发作天然对流换热。因而,类似地把题目看作是三维、稳 态、常物性、有内热源的导热和对流换热的耦合题目。盘算进程中由温差惹起的辐射换热疏忽不计,由于温差而惹起的浮生力作用,在盘算中引入了 Boussinesq假定:1)流体中的粘性耗散项疏忽不计;2)除密度外其他物性皆为常数;3)密度仅思索动量方程中与体积力有关的项,其他各项中的密 度作常数处置。数值盘算时,散热器和大空间接纳整场团圆,整场求解办法,把固体和流体中的热通报进程组合起来作为一个一致的传热进程来求解。盘算地区接纳 无限容积法在同位网格上停止控制方程的团圆,κ-ε单方程模子求解。文献指出在整场求解时,为了包管固体与流体耦合界面物理上热流密度的延续性,固体中的 比热容接纳流体区中的比热容之值。求解接纳压力-速率耦合的SIMPLE算法,动量和能量方程中的对流项均接纳二阶顶风款式,压力项接纳PRESTO!格 式。我们做了网格独立性的稽核,其规范是相邻两个盘算中散热器肋片上的温度和四周的矢量流场的相比值不超越1%。盘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,其他均为0.001。

1.1.3 界限条件

  散热器基板底面假定为等热流界限条件,依据功率和基板底面面积给定。散热器上的肋片天然对流换热为耦算计算面,界限条件的设置依照壁面函数法确定。散热器是在大空间中停止天然对流换热,该盘算域大空间的六个面均设为压力入口界限条件,情况压力为一个大气压。

  1.1.4 盘算后果

   当散热器的加热功率为50W,其热流密度的盘算公式如下:q=Q/A,式中,q为热流密度,Q为热流量,A为基板底面面积。当情况温度为23℃时,数值 盘算失掉散热器肋片和基板底面稳态温度场如图3、图4所示。此时散热器肋片均匀温度为39℃,基板底面最低温度为53℃。

 

3 散热器肋片温度散布图

  

4 散热器基板底面温度散布图

  1.2 实行剖析

  为了确保数值盘算所选的数学模子、网格分别、盘算办法和界限条件的牢靠性,我们做了实行研讨。实行丈量进程在一个不受搅扰的封锁空间停止,实行零碎图如图5所示。在实验中,散热器基板底面覆以电加热板,用以模仿LED灯组发生的热量。并在基板与电加热板间填涂导热硅脂,阻遏氛围热阻。电加热板下方用石棉板绝热使电加热板发生的热量全部由散热器散出。

  

5 实行零碎表示图

   实行进程中为了增加对流场的影响,热电偶从散热器上方引出。为了测定散热器次要局部固体外表温度,在散热器上统共部署了17个热电偶丈量点。此中12 号热电偶部署在散热器多少中央的肋底和肋顶,34号热电偶部署在散热器两头肋片前端端面上的肋底和肋顶,56号热电偶部署在散热器从右边起第三片肋中 间的肋底和肋顶,78号热电偶部署在散热器从右边起第三片肋前端端面的肋底和肋顶,910号热电偶部署在散热器右边最外侧肋片两头段的肋底和肋顶。 1117号热电偶沿着基板底面临称线上对称部署。经过稳压器和调压器给电加热板供电,当散热器基板底面最低温度在10min内的变革范畴小于0.5℃左 右时,我们以为电加热板的加热量和散热器的散热量到达均衡。尔后收罗各个丈量点的温度值。

  1.3 数值盘算和实行后果的比照剖析


   本文中实行加热功率距离为20W,从30110W的范畴内停止,基板底面最低温度辨别为4155677887℃。对应的数值盘算基板底面最高 温度辨别为4153657588℃。从实行和数值盘算后果可以看出随着加热功率的进步,散热器的基板底面最低温度也随之进步,成线性变革。实行结 果和数值盘算后果的比照如图6所示,绝对偏差率在1%范畴内,阐明数值剖析后果是牢靠的。

  

6 实行后果与数值后果的比照

 

    2 散热器天然对流进程剖析

   散热器天然对流进程中,基板底面不时地提供热量,由于散热东西料精良的导热性,热量使散热器温度不时进步。接近散热器四周的氛围受热,密度变小,与阔别散热器的氛围构成密度差,发生了浮力。在散热进程中,数值盘算后果可以失掉在Y-Z面中的速率矢量场如图7所示。可以直观地看出氛围由于散热器的基板底面 在浮力的作用下,扰流冷却散热器的时分,氛围间接从散热器周围往上走,却不克不及进入散热器肋片间对散热器停止冷却。在电加热板的加热量与散热器的散热量均衡 时,散热器肋片都成了等温壁面。速率又是由温度差惹起的,速率小招致氛围的浮生力小于粘性力。散热器四周的冷氛围从散热器周围往上活动,到终极混为一同的 时分,在散热器肋片的上方构成了一个很大的滞流地区。从图8 X-Z面的速率矢量图可以看出在肋片偏向上的滞流地区里的两头构成了两个小涡,制止了四周空 气进入散热器肋片里。又由于在粘性力的作用下,这个滞流地区里氛围流速十分小,以是在如许的构造下,散热器的肋片就没有充沛发扬出天然对流的散热结果。


  3 散热器构造改良

   天然对流的散热强度不只取决于流速、温差和流体物性,还取决于速率场和温度场的协同。从数值盘算后果剖析来看,为了进步散热器的散热才能,低落基板底面 最低温度可以有两种办法:(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,还同等于低落了单元热流密度。但缺陷是添加本钱,浪 费金属资料;(2)经过改动氛围扰流流场线,让速率场和温度场的协异性更好。把原有散热器模子加工成如图9所示,让氛围在浮力的作用下可以在散热器两头实 现上下游通,扰流肋片,增大氛围扰流面积。如许不只可以毁坏散热器下面的滞流地区,还增大了氛围流畅量,更充沛冷却散热器。

  

9 散热器新构造表示图

   为了剖析新构造散热器的散热才能,比照实行验证了数值盘算牢靠性,以是我们接纳异样的数学模子、网格分别、盘算办法和界限条件来数值盘算剖析,如许省 时,高效,本钱低。盘算后果表现散热器新构造的基板底面温度散布图如图10所示。在相反功率下,固然基板底面受热面积有所减小,底面单元热流密度有所增 加。但是散热器的基板底面最低温度仍然比原模子低落了5℃。肋片均匀换热系数也由5.1W/(m2·K)进步为6.0W/(m2·K)。从X-Z面,Y- Z面上的速率矢量图1112可以看出新构造在散热器两头完成了氛围上下游通,添加了氛围的流畅量,受热氛围扰飘泊热器中部肋片刻的最大速率也只要 0.9m/s左右,这种新构造下,当任务情况在有风的条件下,更会强化换热结果,使散热结果更佳。这种新构造加工顺序复杂,加重了散热器的分量和总的金属 耗费量,也方便于主动化消费及装置。


  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天然对流冷却停止了耦合数值盘算。对其散热进程停止了剖析,得出了如下结论:(1)数值盘算后果与实行后果符合较好,阐明本文盘算办法 的牢靠性;(2)数值盘算比实行能更好、更迷信、更方便地剖析散热器的散热进程;(3)本文设计的散热器新构造,让氛围在散热器两头完成上下游通,添加空 气流畅量,低落了基板底面温度,进步了肋片均匀换热系数;(4)底面加工间距对散热器散热才能有明显影响。(泉源:重庆大学动力工程学院
 


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