基于CFD提升LED車燈模組散熱性能研究

樊辰 彭木榮

摘要：隨著車燈技術(shù)的發(fā)展，LED在車燈中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是近些年，伴隨大功率LED在前照燈中的應(yīng)用，LED的散熱問題也逐漸被重視，研究LED散熱結(jié)構(gòu)勢在必行。本文借助流體軟件CFD對兩類散熱器進行基礎(chǔ)研究，從而分析不同參數(shù)對不同結(jié)構(gòu)形式LED車燈用散熱器散熱性能影響的規(guī)律性，并對比分析，結(jié)果表明：在相同的條件下，結(jié)構(gòu)為翅片式的車燈用散熱器比結(jié)構(gòu)為翅柱式的車燈用散熱器的散熱性能要好。

關(guān)鍵詞：LED車燈;CFD;散熱;數(shù)值模擬

0 引言

隨著汽車燈具的不斷發(fā)展，LED技術(shù)在車燈應(yīng)用上的不斷成熟。目前LED車燈除了發(fā)揮其基礎(chǔ)的照明作用外，對其還有了更多智能化的要求。實際上，LED車燈系統(tǒng)已經(jīng)逐漸的演化成了一個相對復(fù)雜的汽車子系統(tǒng)[1-4]。功能的多樣化，帶來了功率的不斷增大，功率的不斷增大進而產(chǎn)生了熱量失效問題，熱量失效問題是否能夠得到有效的解決直接影響著整個LED系統(tǒng)的可靠性及光效性，進而會對整個汽車的行車安全產(chǎn)生影響?？偠灾?，如何在有限的空間內(nèi)，將大功率LED前照燈所產(chǎn)生的熱量盡可能多的散發(fā)出去，是LED光源是否能夠在汽車前照燈中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素[5，6]。因而，針對大工率LED車燈散熱困難的問題，國內(nèi)外的許多專家、學(xué)者、高效以及各大主機廠都對此展開了深入的研究，也對此積累了一定的經(jīng)驗，但大部分的研究主要集中在對現(xiàn)有的一些結(jié)構(gòu)進行局部優(yōu)化或者利用其它新型散熱方式代替目前的散熱方式。本文將借助流體軟件CFD對兩類散熱器進行基礎(chǔ)研究，從而分析不同參數(shù)對不同結(jié)構(gòu)形式LED車燈用散熱器散熱性能影響的規(guī)律性，為LED汽車前照燈的熱設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

LED車燈正常點亮工作后，散熱器與外部大氣環(huán)境存在能量交換，同時，空氣受熱升溫，會向上運動產(chǎn)生氣流。因此對于外包空氣域的計算需遵守質(zhì)量、能量及動量守恒定律。

在微元體內(nèi)的質(zhì)量處于穩(wěn)態(tài)的條件下，其質(zhì)量守恒方程如式（3.1）所示。

式中，ρ為空氣密度;t為時間;u，v，w為對應(yīng)的x，y，z三個方向的速度。

LED光源正常點亮后，其產(chǎn)生的熱量經(jīng)過PCB傳遞到散熱器，再和外部環(huán)境進行能量交換，周圍空氣受熱升溫，沿著散熱片或散熱柱向上運動。散熱器內(nèi)部只存在熱傳導(dǎo)，在此假設(shè)散熱器各向同性。因此該過程的能量守恒過程如式（3.2）所示。

式中，cp為空氣的定壓比熱容;T為空氣溫度;λ為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 ?翅片式散熱器的設(shè)計及模擬分析

對于LED車燈翅片式散熱器的研究，主要從以下四個方面進行考慮，主要研究翅片高度、基板厚度、翅片厚度、翅片間距四個因素對散熱器散熱性能的影響，進而探究其對LED車燈散熱性能的影響，對不同參數(shù)進行不同設(shè)計取值并建立其三維分析模型。模型的幾何設(shè)計參數(shù)如下：基板面積70*50 mm2;翅片高度10 mm起，按10 mm差值遞增;基板厚度0.5 mm起，按0.5 mm差值遞增;翅片厚度1 mm起，按差值0.5 mm差值遞增;翅片間距3 mm起，按1 mm差值遞增。

將建立好的三維數(shù)學(xué)分析模型導(dǎo)入Autodesk Simulation CFD軟件中，在CFD中建立一個體積為120*210*250 mm3的外包空氣域，模擬散熱器的實際工作環(huán)境。最后，對分析模型進行邊界條件及求解器的設(shè)置。邊界條件的設(shè)置中，外包空氣域六個面的溫度設(shè)置為25 °C，模擬室溫環(huán)境下的工作狀態(tài);熱源的功率設(shè)置為7 W;求解器的設(shè)置中，將傳導(dǎo)與對流設(shè)置為開，重力的方向設(shè)置為沿Z軸負向，迭代步數(shù)設(shè)置為100步。分別對不同參數(shù)的分析模型進行迭代求解、熱量穩(wěn)態(tài)分析，對不同參數(shù)穩(wěn)態(tài)模擬得到的結(jié)果進行分析，研究其對散熱性能影響的規(guī)律性。

2.1翅片高度對散熱器散熱性能的影響

采用單因素法探究翅片高度、基板厚度、翅片厚度、翅片間距對散熱器散熱性能的影響，在探究某一個因素時，其他因素不變，只取探究的該因素為唯一變量，對翅片高度在10 mm-100 mm的范圍內(nèi)按10 mm差值進行多次取值，將翅片高度進行不同取值后建立的物理模型，導(dǎo)入CFD軟件中進行穩(wěn)態(tài)模擬，對得到的模擬結(jié)果進行整理分析，觀察溫度隨高度的變化趨勢，研究得到：當(dāng)翅片高度在10 mm-100 mm的范圍內(nèi)變化時，LED結(jié)溫、PCB最高溫度，散熱器最高溫度隨著翅片高度的增加而逐漸降低，LED結(jié)溫由10 mm時的88.4 °C降低到100 mm時的58.3 °C，降溫效果顯著。

2.2基板厚度對散熱器散熱性能的影響

在本次研究中，當(dāng)基板厚度在10 mm-100 mm的范圍內(nèi)變化時，LED結(jié)溫、PCB最高溫度，散熱器最高溫度隨著基板厚度的增加而逐漸降低，LED結(jié)溫由0.5 mm時的72.2 °C降低到5 mm時的65.2 °C，在4.5 mm的變化范圍內(nèi)，溫度有效降低7 °C，降溫效果顯著。

2.3翅片厚度、翅片間距對散熱器散熱性能影響

綜合分析得到：翅片厚度越薄越好，翅片間距在8 mm-10 mm時散熱性能較好，同時分析認為，翅片間距越小，翅片的個數(shù)會增加，有利于增加散熱面積，但是，間距也不宜過小，間距過小，會導(dǎo)致翅片間的空氣流通性變差，導(dǎo)致導(dǎo)熱阻力增大，不利于散熱。

3 ?翅柱式散熱器的設(shè)計及模擬分析

對LED車燈翅柱式散熱器的探討，和翅片式散熱器的研究思路一致，同時，為了比較兩種結(jié)構(gòu)的散熱效果，研究因素及論證因素的變化范圍需保持一致，這樣對兩種不同的結(jié)構(gòu)方案方具有可比性。對于LED車燈翅柱式散熱器的研究得到：（1）當(dāng)翅柱高度在10 mm-100 mm的范圍內(nèi)變化時，LED結(jié)溫、PCB最高溫度、散熱器最高溫度隨著翅柱高度的增加逐漸降低;（2）當(dāng)基板厚度在10 mm-100 mm的范圍內(nèi)變化時，LED結(jié)溫、PCB最高溫度，散熱器最高溫度隨著基板厚度的增加而逐漸降低;（3）翅柱直徑越小越好，直徑在8 mm-9 mm時散熱性能較好;翅柱直徑減小，翅柱的個數(shù)會增加，有利于增加散熱面積，但是，間距也不宜過小，間距過小不利于空氣的流通，由此會導(dǎo)致導(dǎo)熱阻力變大，不利于散熱。

4不同結(jié)構(gòu)形式散熱器模擬結(jié)果對比

在本次研究中，相同翅高時，翅片式散熱器的散熱性能優(yōu)于翅柱式散熱器;相同類型的散熱器中，翅高為40 mm時，其散熱效果比翅高為30 mm時的優(yōu)異;翅片式散熱器，翅片厚度越薄越好，翅片間距（純空氣域）在9-11 mm之間較好;翅柱式散熱器，翅柱直徑越小越好，翅柱間距（純空氣域）在10-11.5 mm之間較好;但是在設(shè)計具體散熱器時，還需考慮實際加工過程中加工工藝可實現(xiàn)的可能性，翅片厚度越薄、翅柱直徑越小，加工工藝難度越大，同時，整個翅片或者翅柱變薄，還會導(dǎo)致根部的強度變小，影響散熱器在正常使用時的可靠性。通過以上的分析，結(jié)構(gòu)為翅片式的散熱器散熱效果優(yōu)于結(jié)構(gòu)為翅柱式的散熱器。

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基金項目：湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題—基于CFD的LED車燈散熱及石墨烯熱控涂層性能研究（課題編號：HNTKY-KT2021-3）