分段凹槽式散热器数值模拟

王宛莹 张宇鑫 郑双金 卢思宇

摘  要：随着LED灯具功率的增大，LED散热问题越来越受到关注，基于此设计出一种分段凹槽式散热器。采用COMSOL软件进行三维模拟仿真，模拟研究了分段凹槽式与平板翅片式散热器的散热情况。通过分析温度场与压力场计算云图，结果显示分段凹槽式散热器在降低热界面温度性能上明显优于平板翅片式。研究结果为灯具散热设计提供依据。理论上在大功率 LED 灯中安装优化设计后的散热片可以很好地解决灯具工作时的散热问题。

关键词：COMSOL;数值模拟;分段凹槽;散热器

中图分类号：U262         文献标志码：A

0 引言

LED被广泛地应用于生活和生产的各个领域，其照明可比白炽灯节省80%～90%的电能，而且其寿命是白炽灯的20倍以上。但目前，LED整体工作效能不是很好，只有 15%～20% 的电能量成功转化为光能，而剩余的 80%～85% 的电能量则通过其他形式转化为热能，因此对大功率 LED 灯具散热器进行结构设计优化具有极其重要的现实意义。

近年来，如何使 LED 灯工作时产生的热能以最快的方式散发出去这一关键问题被国内外学术界关注，进而进行了大量研究。LED 灯具主要通过散热器进行散热，但从散热器自身的结构考虑，平板翅片式散热器中平行排列的翅片使通过散热器的气流变得更加均匀，这对强化换热是不利的。针对平板翅片式散热器的不足，研究者们开发出了许多其他翅片结构形式的散热，象锯齿形、翅柱形、打断翻折型、分段形。

李红月、梁才航等人做了大量的关于平板翅片式散热器散热性能的研究工作，对于平板翅片散热器的结构参数（基板厚度、翅片厚度、间距、数量、布置方式）等进行了大量的优化研究;李斌、陶文铨、何雅玲等对连续翅片、分段翅片等散热器进行了层流流动与换热的数值模拟，研究发现分段翅片性能优于连续翅片;吴新淼、丁肇等基于ANSYS-CFX软件对不同参数下的翅片结构的换热过程进行了数值模拟，得出了较为合适的翅片结构参数;张勇侯、雨田等提出了翅片内部加装交叉扰流柱和扰流片的新型结构，增强了流体内部的扰动，强化流体内部的热量传递，换热效果得到了明显加强;宋源、李士雨等采用FLUENT数值模拟方法，研究了平直翅片、平直开缝翅片、正弦波纹翅片和均匀倾角波纹翅片4种形式的翅片管换热器的空气侧流动和传热特性，得到翅片開缝对传热能力有明显的提升作用。

可见文献大多集中在平板翅片、连续翅片和分段翅片的研究，对分段翅片研究较少。针对平板翅片式散热器性能的不足，该文提出了一种新型分段凹槽式散热器结构，并运用COMSOL软件在一定风速及功率下与平板翅片式散热器的物理场对比分析，为LED灯具散热设计提供参考。

1 数学物理模型建立

1.1 几何模型

板翅式散热器主要由基板和翅片组成，在COMSOL中建立平板翅片式散热器与分段凹槽式散热器计算模型如图1、图2所示，计算区域分为流体和固体。它整个结构的参数主要有翅片厚度、高度、长度及基板长度、宽度和厚度，其主要尺寸参数见表1。

在计算中，流体沿x轴正方向流入，散热器基板及翅片主要材料为铝，导热系数为237 W/mK，空气为被加热流体，因此计算流体设为空气。

1.2 模型简化

对上述的2个散热器模型在数值模拟时，做出以下假设。

（1）研究散热器的维态，散热材料均匀。

（2）散热器的换热主要为对流换热，忽略自然对流及辐射换热影响。

（3）假设流体通道两侧壁面为绝热界面，壁面光滑，流体在壁面上无滑移。

（4）散热器底面边界为等热流密度。

1.3 控制方程及边界条件

其中，u为空气流速，ρ为空气密度，μ为流体的动力黏度，为空气的定压热容;ΔT为翅片上、下游之间的温差。

该文在上述假设条件下，取整个散热器基板及翅片作为对流换热的研究对象，具体的边界条件做了如下设定。

（1）空气入口设为均匀速度，进口风速为0.5 m/s，温度为293 K。

（2）空气出口为自由出流，与运行环境无压差。

（3）设定热源功率为40 W。

（4）利用COMSOL中的共轭传热模块，材料物性参数分别给定见表2，其中固体域用纯铝作材质，流体域为空气。

1.4 散热器网格模型

使用COMSOL仿真模拟软件对两种散热器结构模型进行网格划分。划分的网格数目约为537019，得到的网格模型如图3、图4 所示。

1.5 网格无关性验证

对2种散热器模型网格考核的对比图如图5所示，从图5中可知，当网格数达到537 019以后，散热器最高温度变化不大，再增加网格数对计算影响较小，所以该文采用537 019个网格数进行模拟计算。

2 模拟结果分析

2.1 2种翅片散热器物理场对比

图6显示了不同结构翅片散热器的温度场分布云图，图7是不同结构散热器的压力场分布云图。可以看出，分段凹槽式散热器降温速度较快，且底面最高温度低于平板翅片散热器，但其压降明显大于平板翅片散热器。分段凹槽翅片由于段间距及凹槽的存在破坏了原边界层，促进流体的混合，减少了漩涡死滞区，在段间距及凹槽处形成了新的边界层，有冷空气进入，较平板翅片换热性能好，但是也付出了压降增加的代价。

3 结论

该文针对大功率LED灯的散热问题采用COMSOL仿真软件对分段凹槽片式与平板翅片式散热器物理场进行模拟分析，主要结论如下。

分段凹槽式翅片散热器在降温速度上明显优于平板翅片式，且降低了热界面的最高温度。

分段凹槽式散热器压降明显大于平板翅片式。

参考文献

[1] 李红月，张建新.大功率LED平板型翅片散热器的优化设计[J].天津工业大学报，2013，32（5）：38-42.

[2] 梁才航，杨永旺.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报，2016，27（1）：124-128.

[3] 李斌，陶文铨，何雅玲.电子器件空气强制对流冷却研究[J].西安交通大学学报，2006，40（11）：1241-1245.

[4]吴新淼，丁肇.基于ANSYS-CFX软件的真空容器翅片热管散热器数值分析[J].南方农机，2018（9）：22-23.

[5]宋源，李士雨.平直开缝翅片和波纹翅片管换热器换热特性的数值模拟[J].化学工业与工程，2019（2）：66-72.

[6]张勇侯，雨田.平直翅片流道流动传热的数值模拟和结构优化[J].陕西科技大学学报，2018（4）：135-140.