定常状态下大功率LED灯散热翅片的微观流动 机制研究

　　许攀3刘红军3林坤3彭东学3 1深圳风环境技术工程。分别芯片高温度来分析每组模型的散热情况，高温度较高的则说明翅片散热能力较差，而高温度较低的则说明翅片散热能力较优。而后从流线图来分析流场分布，从微观流动机制入手，研究微观流动机制和散热能力之间的关系。

　　表1模型参数表翅片厚度（m）流场模型表面粗糙度（m）2.1翅片厚度对翅片散热性能的影响由不同翅片厚度下的温度分布图可知当翅片厚度为1mm时，芯片高温度为52摄氏度，翅片大部分为34摄氏度左右，翅片散热性能较优，而翅片为厚度3mm时，芯片高温度为280摄氏度，远远超过实际芯片能够承受的高温度，而翅片温度为240度左右，并没有很好地与周围环境进行换热，导致LED整体温度远高于厚度为1mm时的LED整体温度。

　　通过研究两种不同厚度下的翅片散热时流线图可知当翅片厚度为1mm时，芯片产生的热量传递到翅片附近时，翅片附近的温度随之升高，空气在浮力的作用下上升，为保持流场连续性，下部冷空气将向上补充到原热空气的位置，从而在整个空间内形成自下而上的自然对流，在自然对流的前提下，由于LED灯的阻碍作用，会在翅片端部形成涡流，涡流将会使冷空气进入翅片之间的空隙，换掉原来的热空气，强化翅片进行热交换。而当翅片厚度为3mm时，并没有在翅片角部形成一个理想的涡流，使得冷空气不能进入翅片之间，翅片的热量没有被带走；当翅片厚度为3mm时，翅片直接和空气接触的表面积会降低，使得对流换热的效率降低。

　　2.2不同表面粗糙度对翅片散热性能的影响由不同表面粗糙度下的温度分布图可知不同表面粗糙度下翅片散热情况非常相似。这是由于LED散热是以导热和对流散热为主的散热过程，辐射散热只提供了小部分的作用，而表面粗糙度影响较大的正是辐射散热，所以表面粗糙对LED的散热的影响微乎其微。

　　2.3不同计算模型对翅片散热性能的影响分别选用k-s模型和k-模型对翅片散热性能进行研究。

　　由不同计算模型下的温度图可知，选用不同的计算模型对芯片高温度影响并不大，两个模型的高温度都是52摄氏度，但是k-计算模型下翅片和灯罩表面温度要比k-s计算模型下翅片表面温度要低。

　　观察流场流线，可以发现，由于k-考虑了分子间的粘性，k-的流场涡流的作用效果更强，在翅片上方和灯罩下方都有涡流的存在，而且翅片上方的涡流尺寸要比k-s计算模式下的涡流大，有助于翅片和灯罩与空气的对流换热。但从温度上看，计算模式对LED的散热影响不是很大，尤其对于翅片高温度，两种计算模式下的结果没有显著变化。

　　3改善传热设计及优化方案设计已有的改善传热设计在提高换热效率的同时，流动阻力或者功耗也大大增加，而且很多时候阻力增加的代价大于换热增加带来的效益，从而在一定程度上限制这些强化传热方法的推广和应用。

　　强化传热技术中应用广、可靠性高的是自然对流换热方式，自然对流方式下LED的散热则为热耦合过程，即通过热传导、对流换热、辐射换热方式，或以上三种方式的任意组合实现热量的传递。散热表面的几何特征对散热性能的影响较为显著，改变散热面的大小、形状及其与运动流体的相对位置，可以改变流体的运动状态进而改变换热系数，影响散热效果。下文将从翅片形状，几何尺寸和材料等方面分析这些因素对微观流场的影响。

　　3.1翅片形状对散热性能的影响从平板传热的理论上可知，在翅片（视为平板）的前端当边界层很薄的时候，换热系数为大值。而在长度方向上随着边界层厚度的增加，换热系数会逐渐减小，长形矩形翅片由于存在连续性热边界，散热效果差。因此他们建议在每一平板相隔若干距离后，加以切割凹槽，形成开缝翅片。如此形成的开缝翅片，每一个翅片会生成一个新的热边界层，造成平均的换热系数会长形矩形翅片换热系数高。

　　3.1.2孔翅片栅格式方孔翅片是一种新型结构的翅片散热器，它具有两方面优势：一是通过优化方孔尺寸，大大的增加了翅片与空气的接触面积；二是改变空气的流动方向，通过扰流作用强化表面换热，达到增强散热的目的。

　　3.2几何尺寸对散热性能的影响应用边界层理论，当翅片的间距较小时，垂直放置的相邻两个平板间的边界层在流道中较早的相交，相互影响，导致冷空气无法进入到翅片之间的空隙中，降低翅片的散热效率，平均换热系数降低，这种流动叫做完全发展流；当翅片的间距增大时，两竖直平板的边界层在翅片间隙中刚好相交，此时翅片的平均换热系数接近于垂直平板的平均换热系数，其传热性能比完全发展流时好，这种流动称为发展流；当翅片的间距进一步增大时，翅片两个平板的边界层在间距的出口处还没有相交，两个的边界层不会互相影响，这时翅片的平均换热系数高，其散热性能好，这种流动称为边界层流。所以在固定翅片长度和高度的时候，不同的翅片间距会产生不同的边界层形态，其散热性能也不会相同。

　　3.3材料物性对散热性能的影响选用导热性能较好的材料作为散热器材料并尽可能地加大散热器的散热表面积可提高系统的散热性能。散热器的材质对装置的散热性能有着重要影响，材料的导热系数越大，散热效果越好。因此，在选择散热器材质时，应选择导热系数高、易于加工和成本低的材料。表2所示为几种典型金属材料的导热系数。

　　表2几种金属材质的导热系数材质金银铜铝黄铜ZL104铝合金导热系数由表2可知，银和铜的导热性好，其次是金和铝；合金材料中，铝合金的导热系数要远高于黄铜。考虑到金和银的成本较高，所以目前的散热器主要是由铜、铝和合金材料制成的。相比于铝，铜的导热系数虽然高出很多，但其加工难度较大，且铜制散热器在空气中更易氧化。纯铝的硬度低，可切削性能差，所以在实际应用中广泛采用的是铝合金。

　　翅片式热沉散热器是电子器件散热中应用较为广泛的一种散热器，其散热方式主要是对流换热。而自然对流换热虽然换热系数较低，工业技术与实践丨学术平台I但因其性能稳定且装置中无活动部件，所以通常为散热设计的方式。选择金、银、铜作为散热器材料有助于提高LED的散热性能，但考虑到成本，目前市场中应用较多的散热器材料是铜和铝合金。由于铜的导热系数高出铝很多，所以其瞬间吸收能力比铝好；但铜的比热容却远小于铝，所以吸收相同热量时，其散热速度较为缓慢。由于ZL104铝合金的导热系数接近纯铝，且其加工性能优于纯铝，因而材料选择ZL104铝合金。

　　3.4基于场协同理论的散热优化2000年，过增元团队从对流换热的能量方程出发，重新审视对流换热的物理机制，从场的角度讨论传热现象的控制，从而发展出一些控制对流换热强度的新方法，提出“场协同原理”。该理论的提出一方面揭示了现有各种强化换热技术的物理本质，另方面可以用于指导新型散热结构的设计和新的强化散热方法的探索。

　　通常认为，对流换热是由于流体的宏观运动实现热量传递的过程，其热量传递速率高于纯导热时的传递速率。过增元提出的场协同原理（FieldSynergyPrinciple）从速度场和温度场相互配合的角度重新审视了对流换热的物理机制，场协同不仅统一地认识现有各种对流换热和传热强化现象的物理本质，更重要的是，它能指导发展新的传热强化技术。这种新的传热强化技术不仅在思路上与现有强化技术有很大不同，而且在强化传热的同时，阻力要比它们低的得多，更有利于节能和工程应用。

　　根据场协同理论，对流换热的性能不仅取决于流体的速度和物性，同时还取决于流体与固壁的温差以及流体速度场和流体热流场间协同的程度。其他条件相同的情况下，速度场和热流场的协同程度越好，则对流换热越强烈，这即是对流传热的场协同原理。

　　自然对流模式下被动式散热装置散热的基本原理是：翅片表面温度高于周围空气，进而对其表面附着的空气进行加热，空气薄膜被加热后因压力降低而向上浮动，周围又有空气不断补充，如此循环形成气体流动。对流换热的性能不仅取决于固体与流体之间的温差、流体（上接169页）式可以限定读取文件的用户，防止有其他用户进行读取。

　　除了文件交换形式的数据接口以外，开发商还将数学当中的函数运用到软件数据接口的设计当中。设计人员按照指定的函数顺序，将其输入到用户所需要操作的程序当中。该过程不可以对用户以及第三方软件开发商公开，以此来确保数据的安全可靠。用户在使用该软件数据接口进行数据传输的操作时，只需要将特定的函数调用出来，就能够完成数据传输的工作。该种函数模式的数据接口是受欢迎的数据传输方式之也受软件开发商重视。现在，些开发商已经将所开发出的函数数据接口的函数公布出来，期望用户能够自我学习进而更加了解软件的具体操作。

　　在软件数据接口的设计当中还存在着一种中间式的设计方式。软件开发商为了方便用户的数据传输以及防止数据传输的过程中因意外原因造成数据丢失，采取了种中间数据库的方式帮助用户设立了一个公共的数据传输区域。而在中间数据库当中，计算机的用户以及其他软件是合计人员可以根据设计软件数据接口的原则实现在中间数据库当中的数据交流。中间数据库的特定不是单一的，其形式比较多样，以多种数据传输形式帮助用户完成数据存档和传输的工作。人们常用的Access数据库就是中间数据库的一种常见形式，该种模式的数据接口能在保持数据操作灵活的同时使软件的设计程序更加简单。

　　5结语的种类和物性参数等，还取决于流体的热流场与速度场之间的相互协同程度。如果流体的速度场与热流场协同程度得以改善，便能够强化传热，此即为传热强化的场协同理论。以场协同理论为基础进行散热设计，建立协同性更好地散热器流场结构，对强化LED散热机制具有重要的指导意义。

　　4结语本文通过建立定常流状态下的多尺度流固耦合散热模型，对LED散热器的内部微观流动机制以及外部流场改善方法进行了研究，研究内容总结如下：首先假设LED的外部流场处于定常状态，建立了LED散热系统的热传导、辐射散热和对流散热的定常数学模型，并利用该模型对LED的定常流散热过程进行分析。其次建立了LED散热系统的流固耦合散热数值模型，然后对散热系统的几何模型进行网格划分，后再对散热系统的耦合散热模型进行数值仿真计算。

　　基于数值仿真结果，对典型平行翅片定常散热状态下的微观流动机制进行了研究，比较不同翅片厚度、流场模型、表面粗糙度对定常散热流场和翅片散热性能的影响。

　　从翅片形状、几何尺寸、材料特性和场协同理论四个方面提出改善LED散热设计的建议和方案。