基于Fluent的LED路燈模組散熱仿真設(shè)計

劉 杰，樊嘉杰,2，王 平，施舜鍇，鄭 良，張 浩

(1.河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；2.常州市武進區(qū)半導(dǎo)體照明應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 常州 213161；3. 代爾夫特理工大學(xué)EEMCS學(xué)院，荷蘭 代爾夫特)

引言

半導(dǎo)體照明產(chǎn)品具有能耗低、環(huán)境污染小、壽命長等特點[1,2]，已經(jīng)逐步成為照明市場的主導(dǎo)。作為典型半導(dǎo)體照明產(chǎn)品中的大功率LED 路燈產(chǎn)品具有省電節(jié)能、亮度高、投射距離遠等優(yōu)點[3]，逐步成為未來城市照明系統(tǒng)中的主要產(chǎn)品。然而，大功率 LED 路燈的散熱問題一直是限制其大規(guī)模應(yīng)用急需解決的瓶頸[4-6]。散熱設(shè)計不合理將會影響LED路燈的使用壽命，因而建立合理的模組散熱設(shè)計方法是LED路燈大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[7,8]。

目前，國內(nèi)外研究人員主要采用有限元仿真方法對LED路燈模組進行散熱仿真，以模擬散熱器的散熱效果，如：張建新等[9]和郭凌曦等[10]利用數(shù)值模擬、仿真模擬和實驗驗證相結(jié)合的方法研究了散熱器翅片截面形狀及安裝角度對散熱效果的影響。陳啟勇等[11]通過研究自然對流散熱過程中散熱器的溫度場和周圍擾流空氣的速度矢量場分布，提出了一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并通過數(shù)值計算得到了較理想的結(jié)構(gòu)。閻軍等[12]研究了條形散熱器和太陽花形散熱器的傳熱問題，結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)構(gòu)能促使LED 結(jié)溫降低，同時也降低了燈具結(jié)構(gòu)的重量。

本文考慮充分利用空氣自然對流來提高散熱效果，采用Fluent流體仿真方法研究空氣流動速率和流動方向，對太陽花型、波紋型、平板型、平板打孔型(簡稱打孔型)以及圓管型這五種不同的LED路燈模組散熱器散熱效果的影響。最后，設(shè)計模擬空氣流動實驗用于驗證仿真方法的可行性。

1 模型構(gòu)建

1.1 三維建模

本節(jié)通過 SolidWorks軟件構(gòu)建LED路燈模組的三維模型。根據(jù)實際模型和仿真設(shè)計的相關(guān)要求，首先對實際模型進行相應(yīng)的簡化，以突顯模型的主要散熱過程。LED路燈模組模型主要由 LED 芯片、PCB 板、鋁基板、散熱翅片以及空氣盒五個部分組成。本文考慮了五種常見的散熱翅片，分別為太陽花型、波紋型、平板型、打孔型以及圓管型。

1)模型參數(shù)確定。根據(jù)設(shè)計方案中的限制條件，保持散熱翅片的材料和質(zhì)量相同，即模型所用散熱翅片材料為鋁材，質(zhì)量設(shè)定為 40g。所有散熱器的高度設(shè)定為 30 mm，圓管散熱器中圓管直徑設(shè)定為 4 mm，其他四種散熱模型中翅片的厚度均設(shè)定為 2 mm。根據(jù)設(shè)計方案的要求和半導(dǎo)體市場情況的調(diào)查研究[13]，本文選擇的 LED 路燈模組模型中零件的基本尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 LED路燈模組中零件的尺寸參數(shù)Table 1 The size of components in a LED street light module

2)模型簡化仿真。在本文設(shè)計方案中，對實際LED模型的簡化處理包括：①將 LED 視為均勻體，用長度、寬度和厚度分別為 3 mm、3 mm、1 mm 的長方體代替； 3 W功率的加載對象是簡化后的LED，并且利用功率密度的數(shù)值進行熱源的設(shè)置。圖1為九顆 LED 的簡化模型。②本文選用的五種散熱器的三維模型及部分尺寸，如圖2和表2所示。散熱片都采用中心對稱結(jié)構(gòu)。其中，打孔型散熱器中翅片上孔洞的直徑為 3 mm，孔間距為10 mm，并且根據(jù)實際設(shè)計要求均布于翅片表面。

圖1 九顆LED的簡化模型Fig.1 Simplified model of nine LEDs

圖2 五種散熱器的三維模型Fig.2 3D models of selected five heat sinks

1.2 空氣流動下的仿真模型

在本節(jié)的設(shè)計方案中，建立一個布滿空氣的盒子去模擬空氣對流作用，而空氣流動的通道由這個長方體盒子的外表面所圍成的。本文考慮三種空氣流動方向，即0°(空氣流向與LED模組平面平行方向)、45°(空氣流向與LED模組平面成45°夾角方向)、90°(空氣流向與LED模組平面垂直方向)的風(fēng)速對散熱性能的影響。仿真計算中所用的材料物理屬性如表3所示。

表2 五種散熱翅片的尺寸參數(shù)Table 2 Dimensional parameters of selected five heat sinks

表3 仿真中所用材料物理屬性Table 3 The Physical properties of materials used in simulation

1)0°風(fēng)向下LED模組的三維模型。如圖3所示，0°方向風(fēng)速下五種LED模組的三維模型均為中心對稱結(jié)構(gòu)，且考慮到網(wǎng)格劃分時的網(wǎng)格量和軟件仿真計算量[14]，所以采用1/2模型結(jié)構(gòu)來進行仿真計算。

圖3 五種LED模組的三維模型Fig.3 3D models of five LED modules

2)45°風(fēng)向下LED模組的三維模型。為了得到45°方向風(fēng)速，本文對空氣盒進行特別的設(shè)計和優(yōu)化，以波紋型為例的三維模型如圖4所示。設(shè)定此空氣盒45°方向的高度為212 mm，水平截面仍設(shè)定為邊長150 mm的正方形，仍然采用1/2模型結(jié)構(gòu)來進行仿真計算。

圖4 45°風(fēng)向下LED模組的三維模型Fig.4 3D model of LED module with a 45°air flow direction

2 分析與討論

2.1 Fluent仿真計算流程

本文采用的Fluent仿真方法是在流體建模中常用的CFD軟件。在使用Fluent進行分析計算時，需要考慮選擇適用的物理模型，確定物理系統(tǒng)的計算區(qū)域和邊界條件，以及判斷維度的問題。本文的基本分析流程如圖5所示。

圖5 Fluent仿真流程圖Fig.5 The flowchart of Fluent simulation

2.2 0°風(fēng)向下的仿真結(jié)果

本節(jié)根據(jù)以上仿真流程設(shè)置材料參數(shù)，設(shè)定速度入口面、壓力出口面、對流換熱面以及對稱面，并以圓管型為例的仿真模型和溫度分布云如圖6所示。同理，根據(jù)其他四種散熱模型的仿真計算溫度云圖，統(tǒng)計了五種模型在不同風(fēng)速作用下的最高溫度，如圖7所示。

圖6 風(fēng)向為0°時的仿真模型及結(jié)果Fig.6 Simulation model when the wind direction is 0°

圖7 五種模型中LED最高溫度隨空氣流速變化曲線Fig.7 The maximum temperature of LEDs in five models varying with air flow rate

從圖7中可以看出，當(dāng)風(fēng)速大于2 m/s時，模型最高溫度的變化速率開始減緩。這表明在一定范圍內(nèi)增加空氣的流速，對于芯片的散熱效果具有明顯的改善作用；而當(dāng)流速達到一定的值后，再繼續(xù)增大流速，對模型散熱性能的影響就會逐步的減小。在強制對流條件下，太陽花型散熱器的散熱效果最差。圖8為太陽花型散熱器在空氣流速為1 m/s時溫度分布云圖和流速分布云圖。由圖8(a)可知模型背風(fēng)面溫度較高，說明模型背風(fēng)面熱量很難被流動空氣帶走，只能從其上部散發(fā)出去，這降低了模型的散熱速率和能力。從圖8(b)中可以看出，在太陽花型模型的背風(fēng)面以及其左上方區(qū)域空氣流速遠低于設(shè)定的1 m/s，即流動的空氣難以到達模型的背風(fēng)面，明顯地弱化了空氣強制對流對模型散熱的促進作用[15]，很大程度上弱化了太陽花型散熱器的散熱效果，導(dǎo)致模型溫度的升高。

圖8 太陽花型模型的溫度和流速分布云圖Fig.8 The temperature and velocity distributions of the sun flower model

相比于太陽花型散熱器模型，其他四種模型的散熱能力具有明顯的優(yōu)勢，這從幾何結(jié)構(gòu)上可以找到直接原因，在其余的四種結(jié)構(gòu)中，類板狀或者板狀的幾何結(jié)構(gòu)使空氣能更容易流過散熱器所有的表面，促進散熱器與空氣之間的對流換熱作用[16]，增強了模型的散熱能力，使模型的溫度下降。由圖7可知，圓管型散熱器具有很好的散熱性能，是一種良好的設(shè)計參考方案。圓管型散熱器模型周圍溫度場分布相對均勻，并且模型周圍的流體速度場也表現(xiàn)出較為均勻的變化趨勢，在一定程度上促進了模型與空氣之間的對流換熱過程，促使模型溫度的降低[17]。在散熱器翅片與空氣對流換熱過程中，空氣流體沿翅片表面流動，由于流體的黏性作用，在緊貼散熱器壁面的區(qū)域內(nèi)將形成熱邊界層，所形成的熱邊界層會隨著空氣流動而逐漸擴散和延伸,厚度也會隨之逐漸增加[18, 19]，如圖9所示，空氣流經(jīng)圓柱壁面時，邊界層內(nèi)流體的流速以及流向發(fā)生了改變，而后在尾跡區(qū)形成漩渦狀的紊流流體。模型流場中紊流的出現(xiàn)，會促進熱邊界層厚度的降低，使導(dǎo)熱熱阻減小，強化空氣與散熱器表面的局部對流，很大程度上提高了模型的散熱效率，最終促進模型最高溫度的降低。

圖9 圓管型流速分布云圖和流場流線圖Fig.9 The flow velocity distribution and flow field of heat pipe model

2.3 空氣流向?qū)δ＝M散熱性能的影響

本節(jié)在保持風(fēng)速變化的同時(風(fēng)速設(shè)計為1～5 m/s五種風(fēng)速)，考慮另外兩種空氣流向(空氣流向與基板圓面成45°夾角和垂直夾角)對模型散熱性能的影響。根據(jù)流程設(shè)置邊界條件如圖10所示。本節(jié)通過仿真計算得到五種散熱器模型在三種風(fēng)向和五種風(fēng)速下芯片的最高溫度，由圖11可知，在三種空氣流向的情況下，隨著空氣流速的增加，五種散熱器模型芯片最高溫度都持續(xù)地降低，并且當(dāng)空氣流速達到2 m/s之后，再增加空氣流速，對于模型散熱性能的影響會逐步地減小，這與前面得到的規(guī)律一致。在所選定的三種空氣流向中，當(dāng)空氣流向與基板圓面成45°夾角時，模型芯片的最高溫度最低，這說明空氣流向的變化在一定程度上強化了對流換熱的作用，促使模型中的芯片溫度進一步地降低。

圖10 模型邊界條件設(shè)置示意圖Fig.10 Schematic diagram of model boundary condition setting

圖12為在45°風(fēng)向下幾種散熱器模型中氣流流場分布圖，太陽花型散熱器中大部分的流體與散熱器迎風(fēng)面接觸后，從散熱器的上部流走，導(dǎo)致流動空氣與散熱器表面的接觸不夠充分，弱化了散熱器背風(fēng)面散熱的作用，使LED最高溫度的降低幅度減少，因此LED溫度最高。針對于平板型、打孔型和圓管型三種散熱器，在不同的空氣流速下，這三種模型的芯片最高溫度比較接近。空氣流向散熱器時可以到達其內(nèi)部，與散熱翅片表面有充分的接觸，保證對流換熱的有效進行，促使LED產(chǎn)生的熱量可以迅速被流動空氣帶走，使溫度降低。

圖11 不同風(fēng)速流向下LED最高溫度變化圖Fig.11 The maximum temperature of LEDs under different air flow directions varying with air flow rate

3 路燈模組散熱優(yōu)化及實驗驗證

為了驗證以上仿真方法的可行性，本節(jié)選取采用Philips Lumileds Luxeon T系列LED封裝設(shè)計的路燈模組作為研究對象，其單顆LED封裝的額定功率為3 W，總功率為42 W ，如圖13所示。

圖13 實驗所用的LED路燈模組Fig.13 The LED street light module used in the experiment

3.1 仿真計算的參數(shù)設(shè)計和流程

表4為LED路燈模組結(jié)構(gòu)的實際幾何參數(shù)數(shù)據(jù)，利用SolidWorks進行三維模型的建立。其中，PCB基板中心孔的孔徑為12.75 mm。

表4 LED路燈模組幾何參數(shù)Table 4 The geometric parameters of LED street light modules

假設(shè)LED芯片為均勻發(fā)熱體，忽略其內(nèi)部熱阻，并用3.7 mm×3.7 mm×1 mm的長方體簡化。模型所使用的材料都是各向同性材料，且不考慮熱輻射對模型散熱的影響。模組散熱器的三維模型以及部分仿真計算云圖，如圖14所示。根據(jù)仿真計算結(jié)果，對路燈模組在強制對流情況下的六種風(fēng)速作用下的LED最高溫度進行統(tǒng)計分析，如表5所示。

圖14 LED路燈模組Fig.14 LED street light module

表5 強制對流下路燈模組中LED的最高溫度Table 5 The maximum temperature of LED in the street light module under different air flow rates

隨著風(fēng)速的增加，路燈模組中LED最高溫度在持續(xù)地降低。當(dāng)風(fēng)速達到4 m/s以后，模型最高溫度的變化速率逐漸降低，這與之前仿真計算研究得出的規(guī)律一致。

3.2 路燈模組散熱優(yōu)化實驗驗證

1)實驗裝置以及實驗條件。如圖15所示，本實驗利用變頻管道風(fēng)機產(chǎn)生不同風(fēng)速的風(fēng)，模擬路燈模組在實際使用時與空氣的強制對流，并且利用測速儀進行風(fēng)速的檢測和校準。實驗環(huán)境溫度為298 K，利用風(fēng)道保證風(fēng)速和風(fēng)向的準確性。

2)溫度測量方法。一般測量LED溫度的方法分成兩種：非接觸式測量；接觸式測量。非接觸式測量方法包括：紅外線測溫儀測量、峰值波長法和藍白比法等。接觸式測量方法包括：正向電壓法、管腳法、熱電偶測量儀測量等[20]。本實驗采用JK804多路溫度測試儀和紅外測溫儀兩種方法測量路燈模組中LED的溫度。其中，JK804多路溫度測試儀的溫度測量點如圖16所示。利用紅外測量儀進行模組溫度采集時，測量鏡頭通過壓力出口(即流動空氣的出口處)對已經(jīng)處于穩(wěn)定工作情況下的路燈模組表面溫度進行測量，如圖15所示。

圖15 實驗裝置示意圖Fig.15 Experimental setup

圖16 路燈模組測溫點Fig.16 The temperature measurement points on the LED street light module

本實驗分別在3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s四種風(fēng)速情況下，采用以上兩種方法對LED模組的溫度進行測量。圖17對比了LED路燈模組溫度的測試結(jié)果和真計算結(jié)果，可以得到：實驗測試結(jié)果和和仿真計算均保持一致的趨勢，即隨著風(fēng)速增加，溫度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。實驗與仿真計算的溫度差值在2～6 ℃之間，誤差率在0.43%～8.68%之間，在合理范圍內(nèi)。因此，本文采用Fluent流體仿真方法對LED路燈模組進行的散熱仿真具有較高的可行性。

圖17 LED路燈模組溫度的測試結(jié)果和仿真計算結(jié)果對比Fig.17 The comparison of temperature measurement results with simulated results for LED street light module

4 結(jié)論

本文考慮充分利用空氣自然對流來提高散熱效率，采用Fluent流體仿真方法研究空氣流動速率和流動方向，對太陽花型、波紋型、平板型、平板打孔型(簡稱打孔型)以及圓管型這五種不同的LED路燈模組散熱器散熱效果的影響，得出散熱模型的最佳設(shè)計。研究結(jié)果表明：①圓管型散熱器既具有較大的空氣接觸面積，又會在尾跡區(qū)形成漩渦狀的紊流，這可以降低熱邊界層厚度，減小導(dǎo)熱熱阻，提高散熱效率；②當(dāng)空氣流向與LED模組平面成45°夾角方向時，氣流對提高散熱器的散熱效果最佳。