分段凹槽式散熱器數值模擬

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注，基于此設計出一種分段凹槽式散熱器。采用COMSOL軟件進行三維模擬仿真，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算云圖，結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于平板翅片式。研究結果為燈具散熱設計提供依據。理論上在大功率 LED 燈中安裝優化設計后的散熱片可以很好地解決燈具工作時的散熱問題。

關鍵詞：COMSOL;數值模擬;分段凹槽;散熱器

中圖分類號：U262 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

LED被廣泛地應用于生活和生產的各個領域，其照明可比白熾燈節省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% 的電能量成功轉化為光能，而剩余的 80%～85% 的電能量則通過其他形式轉化為熱能，因此對大功率 LED 燈具散熱器進行結構設計優化具有極其重要的現實意義。

近年來，如何使 LED 燈工作時產生的熱能以最快的方式散發出去這一關鍵問題被國內外學術界關注，進而進行了大量研究。LED 燈具主要通過散熱器進行散熱，但從散熱器自身的結構考慮，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，研究者們開發出了許多其他翅片結構形式的散熱，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構參數（基板厚度、翅片厚度、間距、數量、布置方式）等進行了大量的優化研究;李斌、陶文銓、何雅玲等對連續翅片、分段翅片等散熱器進行了層流流動與換熱的數值模擬，研究發現分段翅片性能優于連續翅片;吳新淼、丁肇等基于ANSYS-CFX軟件對不同參數下的翅片結構的換熱過程進行了數值模擬，得出了較為合適的翅片結構參數;張勇侯、雨田等提出了翅片內部加裝交叉擾流柱和擾流片的新型結構，增強了流體內部的擾動，強化流體內部的熱量傳遞，換熱效果得到了明顯加強;宋源、李士雨等采用FLUENT數值模擬方法，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。

可見文獻大多集中在平板翅片、連續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構，并運用COMSOL軟件在一定風速及功率下與平板翅片式散熱器的物理場對比分析，為LED燈具散熱設計提供參考。

1 數學物理模型建立

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算模型如圖1、圖2所示，計算區域分為流體和固體。它整個結構的參數主要有翅片厚度、高度、長度及基板長度、寬度和厚度，其主要尺寸參數見表1。

在計算中，流體沿x軸正方向流入，散熱器基板及翅片主要材料為鋁，導熱系數為237 W/mK，空氣為被加熱流體，因此計算流體設為空氣。

1.2 模型簡化

對上述的2個散熱器模型在數值模擬時，做出以下假設。

（1）研究散熱器的維態，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）假設流體通道兩側壁面為絕熱界面，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。

該文在上述假設條件下，取整個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定。

（1）空氣入口設為均勻速度，進口風速為0.5 m/s，溫度為293 K。

（2）空氣出口為自由出流，與運行環境無壓差。

（3）設定熱源功率為40 W。

（4）利用COMSOL中的共軛傳熱模塊，材料物性參數分別給定見表2，其中固體域用純鋁作材質，流體域為空氣。

1.4 散熱器網格模型

使用COMSOL仿真模擬軟件對兩種散熱器結構模型進行網格劃分。劃分的網格數目約為537019，得到的網格模型如圖3、圖4 所示。

1.5 網格無關性驗證

對2種散熱器模型網格考核的對比圖如圖5所示，從圖5中可知，當網格數達到537 019以后，散熱器最高溫度變化不大，再增加網格數對計算影響較小，所以該文采用537 019個網格數進行模擬計算。

2 模擬結果分析

2.1 2種翅片散熱器物理場對比

圖6顯示了不同結構翅片散熱器的溫度場分布云圖，圖7是不同結構散熱器的壓力場分布云圖。可以看出，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，促進流體的混合，減少了漩渦死滯區，在段間距及凹槽處形成了新的邊界層，有冷空氣進入，較平板翅片換熱性能好，但是也付出了壓降增加的代價。

3 結論

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行模擬分析，主要結論如下。

分段凹槽式翅片散熱器在降溫速度上明顯優于平板翅片式，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

[1] 李紅月，張建新.大功率LED平板型翅片散熱器的優化設計[J].天津工業大學報，2013，32（5）：38-42.

[2] 梁才航，楊永旺.LED路燈散熱器散熱性能的數值模擬[J].照明工程學報，2016，27（1）：124-128.

[3] 李斌，陶文銓，何雅玲.電子器件空氣強制對流冷卻研究[J].西安交通大學學報，2006，40（11）：1241-1245.

[4]吳新淼，丁肇.基于ANSYS-CFX軟件的真空容器翅片熱管散熱器數值分析[J].南方農機，2018（9）：22-23.

[5]宋源，李士雨.平直開縫翅片和波紋翅片管換熱器換熱特性的數值模擬[J].化學工業與工程，2019（2）：66-72.

[6]張勇侯，雨田.平直翅片流道流動傳熱的數值模擬和結構優化[J].陜西科技大學學報，2018（4）：135-140.