基于圓環(huán)孔合成射流器的LED前照燈散熱控制

朱 暉，楊志剛，3，王國(guó)俊

（1.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海201804；2.上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；3.北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心，北京102211；4.華為技術(shù)有限公司南京研究所，江蘇南京210012）

發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）光源因其單色性好、響應(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，使其在汽車的前大燈、制動(dòng)燈、轉(zhuǎn)向指示燈及尾燈的應(yīng)用中日益廣泛［1］。由于發(fā)光方式與傳統(tǒng)鹵素大燈不同，導(dǎo)致LED燈對(duì)溫度非常敏感，通常要求其PN結(jié)溫度低于12～150℃［2］。在使用過程中，汽車前照燈的功率高且發(fā)熱量大，因此研發(fā)人員普遍采用安裝翅片、熱管、風(fēng)扇、冷卻水泵及其組合裝置對(duì)其進(jìn)行溫度控制［3-4］。

合成射流器具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制的特點(diǎn)［5-6］，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于圓孔型和長(zhǎng)槽型出口射流器進(jìn)行相關(guān)散熱控制研究［7-9］，并取得了較好的控制效果，但針對(duì)合成射流器的散熱主動(dòng)控制機(jī)理有待深入研究。在文獻(xiàn)查閱過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有汽車LED前照燈的合成射流器散熱主動(dòng)控制系統(tǒng)過于復(fù)雜，必須改進(jìn)［10］；且圓環(huán)孔型出口射流器的相關(guān)散熱主動(dòng)控制研究成果極少。

本文首先研究出口形狀（圓孔、長(zhǎng)槽及圓環(huán)孔）對(duì)射流器出口速度和散熱效果的影響規(guī)律；以此為基礎(chǔ)，對(duì)自主設(shè)計(jì)的包含射流器和LED前照燈的部件進(jìn)行散熱效果研究，形成LED燈合成射流器散熱主動(dòng)控制方法及實(shí)物；最后基于大渦模擬和正交分解法揭示圓環(huán)孔射流器的散熱控制機(jī)理。

1 散熱效果實(shí)驗(yàn)研究

1.1 射流器基本構(gòu)造

實(shí)驗(yàn)采用壓電振子型合成射流器，如圖1所示。壓電振子由壓電陶瓷片（PZT-5A）及銅片組成，當(dāng)在其兩極加交流電時(shí)，壓電陶瓷片在壓電效應(yīng)的作用下產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)氣流噴出或吸入射流器腔體內(nèi)。正方形銅片邊長(zhǎng)為28.0mm，厚度為0.2mm；壓電陶瓷片直徑為20.0mm，厚度為0.2mm；正方形腔體邊長(zhǎng)為28.0mm，腔體深度H為5.0mm，噴口高度h為2.5mm。設(shè)計(jì)并制作了圓孔、長(zhǎng)槽及圓環(huán)孔3種形狀的噴口，如圖2所示。圓孔直徑為1.0mm，長(zhǎng)槽長(zhǎng)、寬分別為7.5mm、1.0mm，圓環(huán)孔內(nèi)徑、外徑分別為2.8mm、4.8mm。射流器輸入功率皆為1.0W。

圖1 合成射流器Fig.1 Synthetic jet

圖2 三種形狀噴口Fig.2 Three types of orifice

1.2 測(cè)速實(shí)驗(yàn)

在20℃環(huán)境溫度條件下，使用熱線風(fēng)速儀測(cè)量射流器噴口中心軸線上不同位置處速度，5個(gè)測(cè)點(diǎn)離噴口的距離L分別為2.5mm、5.0mm、15.0mm、25.0mm、35.0mm。射流器輸入正弦信號(hào)，電壓為50.0V；熱線風(fēng)速儀采用55P01型一維探頭，采樣頻率為1.0MHz，采樣時(shí)間取15.0s。由實(shí)驗(yàn)可知：在距離確定時(shí)，隨著頻率的增大，3種射流器的平均速度均先增大后減小；圓孔合成射流器的射速最低，平均速度最大值約為15.0m·s-1，長(zhǎng)槽與圓環(huán)孔合成射流器平均速度最大值約為25.0 m·s-1，見圖3。

圖3 合成射流器速度特性Fig.3 Velocity feature of synthetic jet

此外，3種射流器的平均速度隨著頻率的增大均出現(xiàn)2個(gè)峰值，該現(xiàn)象在圓孔及長(zhǎng)槽射流器中較為明顯。速度峰值所對(duì)應(yīng)的頻率分別為壓電振子的諧振頻率及腔體本身的共振頻率（赫爾姆茲共振頻率）。由圖3可知：在1 500.0Hz時(shí)3種射流器均出現(xiàn)峰值，該頻率即為壓電振子的諧振頻率；由于3種射流器噴口形狀各異，因此三者腔體所對(duì)應(yīng)的赫爾姆茲共振頻率不同，圓孔射流器為500.0Hz，長(zhǎng)槽射流器為1200.0Hz，圓環(huán)孔射流器為1 800.0Hz。

1.3 不同射流器對(duì)LED基板的散熱實(shí)驗(yàn)

LED光源采用CREE XLamp XHP70系列成品，光通量為1 965lm，符合國(guó)標(biāo)對(duì)LED大燈近光燈的要求（GB25991—2010規(guī)定LED大燈近光燈光通量需達(dá)到1 000lm，對(duì)遠(yuǎn)光燈暫無要求）。將OMEGA K型熱電偶安裝在鋁基板背部（芯片側(cè)），測(cè)點(diǎn)見圖4a中標(biāo)記處。圖4b為參照汽車大燈模塊尺寸所設(shè)計(jì)的箱體，尺寸為500.0mm×200.0mm×200.0mm；為防止模塊內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生霧化，汽車大燈模塊上設(shè)有通風(fēng)孔，因此在散熱實(shí)驗(yàn)所用箱體側(cè)面開設(shè)4個(gè)通風(fēng)孔，以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)情況更準(zhǔn)確的模擬。

圖4 散熱實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Cooling experiment facilities

基于測(cè)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在20℃環(huán)境溫度下，對(duì)射流器施加50V驅(qū)動(dòng)電壓，以最大平均速度所對(duì)應(yīng)的頻率為準(zhǔn)，分別對(duì)圓孔、長(zhǎng)槽及圓環(huán)孔射流器對(duì)基板的散熱控制效果隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。射流器與基板間距離，對(duì)于長(zhǎng)槽及圓環(huán)孔射流器皆取25.0mm、35.0mm、45.0mm、55.0mm；由于圓孔射流器的射流速度較低，因此該距離僅取25.0mm及35.0mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可知：圓孔射流器只能減緩基板溫度上升的速率，但無法控制基板溫度上升的趨勢(shì)；長(zhǎng)槽的散熱控制效果優(yōu)于圓孔，結(jié)論與文獻(xiàn)［9］一致；開啟長(zhǎng)槽與圓環(huán)孔射流器后，基板溫度迅速下降，在約100s后溫度趨于穩(wěn)定；隨著距離的增大，散熱控制效果總體呈減弱趨勢(shì)，但最佳散熱控制距離皆為35.0mm；取180s～221s的平均值，基板所能達(dá)到的最低穩(wěn)定受控溫度分別為長(zhǎng)槽87.3℃、圓環(huán)孔86.9℃；在其他距離上，圓環(huán)孔的散熱控制效果皆優(yōu)于長(zhǎng)槽，前者將溫度穩(wěn)定在約93.5℃附近，對(duì)于后者該值為95.5℃；圓環(huán)孔射流器的散熱效果最佳。

1.4 PN結(jié)散熱實(shí)驗(yàn)

作為L(zhǎng)ED芯片的重要參數(shù)，PN結(jié)溫度直接影響LED燈的壽命及發(fā)光強(qiáng)度。各LED芯片廠家的技術(shù)參數(shù)規(guī)定PN結(jié)溫度需控制在125～150℃以下。采用圓環(huán)孔射流器，沖擊距離設(shè)為35.0mm，將LED芯片、鋁基板與合成射流器相結(jié)合，得到如圖6a所示的LED前照燈部件。為驗(yàn)證該部件能否滿足實(shí)用要求，對(duì)其進(jìn)行PN結(jié)溫度控制實(shí)驗(yàn)。

圖5 散熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of cooling experiment

目前主流的測(cè)量PN結(jié)溫度的方法為焊點(diǎn)管腳法［11］，即通過測(cè)量LED芯片的焊點(diǎn)溫度間接獲得PN結(jié)溫度，其原理如式（1）所示：

其中：Tj為PN結(jié)溫度，℃；Tsp為焊點(diǎn)溫度，℃；θ為PN結(jié)與焊點(diǎn)間的熱阻，取為0.9℃·W-1；PL為L(zhǎng)ED芯片的熱損耗，W，通常取輸入功率的75%。實(shí)驗(yàn)中焊點(diǎn)的位置如圖6b所示。

為滿足大多數(shù)LED芯片的要求，設(shè)定PN結(jié)的最高溫度為125℃；實(shí)驗(yàn)所用LED芯片在PN結(jié)溫度為125℃時(shí)，光通量可達(dá)初始值的90%；該LED芯片的熱損耗為9W，θPL=8.1℃；因此焊點(diǎn)溫度低于116.9℃時(shí)即能滿足實(shí)用要求。分別對(duì)環(huán)境溫度20℃時(shí)射流器關(guān)閉及開啟、環(huán)境溫度50℃時(shí)射流器開啟3種工況進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖6 LED前照燈部件及焊點(diǎn)位置Fig.6 LED headlamp component and solder point location

圖7 焊點(diǎn)測(cè)溫結(jié)果Fig.7 Results of solder point temperature test

由圖7可知：20℃環(huán)境溫度下，射流器關(guān)閉時(shí)LED芯片焊點(diǎn)溫度在200s內(nèi)從63℃上升到140℃，超過警戒溫度23.1℃；射流器開啟后焊點(diǎn)溫度得以有效控制，在約100s后逐步趨于穩(wěn)定值約78.7℃；汽車大燈模塊后部靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙加之夏季高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部溫度較高，在50℃環(huán)境溫度下射流器開啟時(shí)焊點(diǎn)溫度被有效控制在約100.8℃。

2 數(shù)值仿真研究

2.1 數(shù)值仿真方法

以實(shí)驗(yàn)裝置為準(zhǔn)，射流器腔體模型尺寸與實(shí)物尺寸一致，為20 mm×20 mm×5 mm；圓環(huán)型噴口的內(nèi)環(huán)直徑r1=2.4 mm，外環(huán)直徑r2=4.8 mm，內(nèi)、外環(huán)間的連接結(jié)構(gòu)寬度為0.5 mm，噴口高度為2.5 mm；噴口出口與鋁基板之間距離為35.0 mm。采用六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分，按y+=1確定壁面第1層網(wǎng)格高度，增長(zhǎng)率為1.1，網(wǎng)格總數(shù)315萬單元。數(shù)字模型構(gòu)造及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 模型構(gòu)造及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of simulation model and mesh

鋁基板由介電層和鋁板兩部分組成，襯底由碳化硅構(gòu)成，襯底的頂面作為熱源。各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)、密度及厚度參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

采用大渦模擬的Smargorinsky-Lilly-Dynamic模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為激勵(lì)周期的1/360，即1.9×10-6s。計(jì)算所設(shè)邊界條件見表2。

表2 邊界條件Tab.2 Boundary conditions

以Gr/Re2來評(píng)價(jià)自然對(duì)流對(duì)混合流動(dòng)中對(duì)流換熱過程的影響，若該值小于1，則自然對(duì)流的影響可忽略不計(jì)［12］。本次數(shù)值仿真中該值的量級(jí)僅為10-3，因此由溫度梯度所導(dǎo)致的密度差異對(duì)對(duì)流換熱過程的影響不予考慮。

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果

焊點(diǎn)溫度仿真與測(cè)量的穩(wěn)定均值對(duì)比見圖9。在20℃環(huán)境溫度下，射流器開啟時(shí)焊點(diǎn)溫度的計(jì)算值為78.2℃，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)相對(duì)誤差-0.64%；50℃環(huán)境溫度下，射流器開啟時(shí)焊點(diǎn)溫度的計(jì)算值為103.4℃，以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)相對(duì)誤差2.58%；可見焊點(diǎn)溫度的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。

圖9 焊點(diǎn)溫度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Calculation and test value of solder point temperature

圖10為仿真所得LED鋁基板及襯底三維溫度云圖。由圖可知：隨著環(huán)境溫度從20℃上升到50℃，鋁基板和襯底的溫度有較大幅度提升；鋁基板溫度由中心至四周逐漸降低，并呈對(duì)稱分布。

圖11顯示了鋁基板迎風(fēng)側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)分布特征。由圖可知：對(duì)流換熱系數(shù)基本呈現(xiàn)中間高邊緣低的分布規(guī)律，但并不完全對(duì)稱；在高溫環(huán)境下對(duì)流換熱系數(shù)有所增大；20℃及50℃環(huán)境溫度下對(duì)流換熱系數(shù)最大值分別為 307.5 W·m-2·K-1、368.0W·m-2·K-1，對(duì)應(yīng)Nu數(shù)分別為423.7、468.3。

圖10 LED鋁基板及襯底溫度云圖Fig.10 Temperature contour of LED PCB and substrate

圖11 鋁基板對(duì)流換熱系數(shù)云圖Fig.11 Contour of convective heat transfer coefficient on PCB

3 基于POD方法的散熱控制機(jī)理

正交分解（proper orthogonal decomposition，POD）方法［13］從能量角度出發(fā)以不同含能模態(tài)為準(zhǔn)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解識(shí)別，進(jìn)而將流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與其所含能量相關(guān)聯(lián)分析流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)特性。該方法的基本思想是將脈動(dòng)量分解為空間模態(tài)φi（x，y，z）與時(shí)間系數(shù)αi（t）的函數(shù)，并構(gòu)建一組空間模態(tài)基函數(shù)使截?cái)嗾`差最小。每階模態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)特征值λi，該特征值占特征值總和的比例代表該階模態(tài)對(duì)總能量的貢獻(xiàn)率，模態(tài)的階數(shù)依能量貢獻(xiàn)率進(jìn)行排序。

3.1 流場(chǎng)特性分析

采樣時(shí)間為30個(gè)周期，對(duì)1 000個(gè)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。由圖12a可知：1階模態(tài)含能極高，占流場(chǎng)總能量的62.1%；隨著模態(tài)階數(shù)的增加，其能量占比迅速降低，2階、3階模態(tài)分別占流場(chǎng)總能量的9.0%和6.8%，4階模態(tài)的能量占比僅為2.4%，當(dāng)模態(tài)階數(shù)大于7時(shí)，每階模態(tài)的能量占比皆小于1%；2階與3階模態(tài)的能量占比相近，表明二者對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似。

圖12b顯示前4階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)特征，由圖可知：前4階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的渦結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)反對(duì)稱特征，表明流動(dòng)狀態(tài)近乎對(duì)稱［13］；每階模態(tài)皆呈現(xiàn)由下而上正負(fù)交替的渦結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻(xiàn)［14］的研究結(jié)論，該現(xiàn)象代表大尺度渦結(jié)構(gòu)的耗散。定義每階模態(tài)中相鄰正負(fù)渦結(jié)構(gòu)間距為半波長(zhǎng)，分別為λ1/2、λ2/2、λ3/2、λ4/2，其中4階模態(tài)出現(xiàn)相鄰兩渦結(jié)構(gòu)同號(hào)的現(xiàn)象。依據(jù)圖12b中的標(biāo)尺測(cè)得λ1、λ2、λ3、λ4分別約為13 mm、7 mm、7 mm、4 mm，由計(jì)算結(jié)果得對(duì)流速度U=18 m·s-1，根據(jù)式f=U/λ計(jì)算可知前4階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的特征頻率分別為f1=1 384.6 Hz、f2=f3=2 571.4 Hz、f4=4 500.0 Hz，各自對(duì)應(yīng)激勵(lì)頻率的一次、二次及三次諧波。將1階模態(tài)對(duì)應(yīng)流場(chǎng)與平均流場(chǎng)進(jìn)行重構(gòu)，分析可知：1階模態(tài)代表流場(chǎng)中主要渦結(jié)構(gòu)的周期性產(chǎn)生及其與壁面的撞擊過程；2、3、4階模態(tài)代表大尺度渦結(jié)構(gòu)演化過程中的小尺度諧波結(jié)構(gòu)。

3.2 鋁基板表面對(duì)流換熱特性分析

為了得到能夠代表整個(gè)系統(tǒng)對(duì)流換熱特性的樣本，按照文獻(xiàn)［15］的方法進(jìn)行采樣。合成射流器剛開啟時(shí)壁面溫度變化迅速，因此采樣時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1.1×10-5s，每4步采集一個(gè)數(shù)據(jù)，共采集400個(gè)樣本；接著采樣時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1.1×10-4s，每3步采集一個(gè)樣本，共采集300個(gè)樣本；最后采樣時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1.1×10-3s，每3步采集一個(gè)樣本，共采集300個(gè)樣本；總共采集1 000個(gè)樣本。采用正交分解方法得到1 000階模態(tài)及鋁基板表面上對(duì)流換熱系數(shù)在各階模態(tài)下的分布特征［16］。

圖12 流場(chǎng)POD分析Fig.12 POD analysis of flow field

圖13a顯示了前100階模態(tài)的能量占比。由圖可知：與流場(chǎng)的模態(tài)能量占比分布特征類似，1階模態(tài)含能極高，能量占比為29.0%，說明1階模態(tài)代表了鋁基板壁面上對(duì)流換熱系數(shù)的主要分布特征；2階、3階模態(tài)的能量占比非常接近，分別為6.3%和6.0%；當(dāng)模態(tài)階數(shù)大于16時(shí)，每階模態(tài)的能量占比皆小于1%，表明對(duì)流換熱系數(shù)分布特征受其影響較?。?6］。

圖13b為前4階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)二維及三維分布特征圖，由圖可知：與圖11相類似，1階模態(tài)所對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)亦呈現(xiàn)中間高邊緣低的分布特征；由于1階模態(tài)的能量占比遠(yuǎn)高于其他模態(tài)，可推斷該形態(tài)即為對(duì)流換熱系數(shù)的主要分布特征；再結(jié)合針對(duì)流場(chǎng)的模態(tài)分析結(jié)果可知，流場(chǎng)的大尺度渦結(jié)構(gòu)直接決定了該特征的形成；2階模態(tài)呈現(xiàn)了對(duì)流換熱系數(shù)在高、低值域之間沿Y軸方向往復(fù)震蕩的分布特征，3階模態(tài)呈現(xiàn)了對(duì)流換熱系數(shù)在高、低值域之間沿X軸方向往復(fù)震蕩的分布特征；4階模態(tài)呈現(xiàn)了對(duì)流換熱系數(shù)在高、低值域之間內(nèi)外交替的周期性分布特征。結(jié)合針對(duì)流場(chǎng)的模態(tài)分析結(jié)果可知，對(duì)流換熱系數(shù)分布的非定常特性受小尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響顯著。

圖13 對(duì)流換熱系數(shù)POD分析Fig.13 POD analysis of convective heat transfer coefficient

4 結(jié)語

（1）圓環(huán)孔合成射流器的散熱控制效果優(yōu)于圓孔及長(zhǎng)槽孔合成射流器。

（2）自主設(shè)計(jì)的基于圓環(huán)孔合成射流器的LED前照燈部件能夠滿足高溫環(huán)境下的散熱實(shí)用要求。

（3）流場(chǎng)的大尺度渦結(jié)構(gòu)決定了鋁基板表面上對(duì)流換熱系數(shù)的主要分布特征，小尺度流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)分布的非定常特性有重要影響。