原创《定常状态下大功率LED灯散热翅片微观流动机制》：本论文为您写翅片毕业论文范文和职称论文提供相关论文参考文献，可免费下载。
摘 要：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.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,通过比较不同翅片厚度、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,发现在一定程度上增加翅片厚度可以提高散热器的散热性能,而流场模型和表面粗糙度的变化对外部流场和散热性能的影响很小.通过翅片形状,几何尺寸和材料等因素对微观流场的影响分析.从翅片形状、几何尺寸、材料物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.
关键词：翅片厚度；模型；表面粗糙度；定常散热流场；翅片散热性能； LED散热设计的改善
LED （Light Emitting Diode）简称发光二极管,是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件,它可以直接把电转化为光,被称为第四代照明光源或绿色光源.LED灯的核心组成部分为PN结,其原理是由P面通入大量的正电荷,在相应的N面就会产生和之相同的过量负电荷,当在PN结两端加上驱动电子运动的电压时,在电场的作用下,负电荷就会从N端区域向P端区域移动,而对应的正电荷则从P端区域向N端区域移动,在两区域的交界处基于电场的作用下,正电荷和负电荷发生复合,在复合过程中能量被激发,然后以光的形式从PN结中发射出来.LED灯具有鲜明特点：寿命长、体积小、耗电量少、点亮反应速度快、全固体封装、不易破损、环保无污染,使用寿命可达6万到10万小时,是传统光源寿命的10倍以上,有着巨大的应用市场潜力.
然而LED灯的工作原理使得在大功率LED照明行业里散热问题变得非常突出,许多LED照明方案不够重视散热,或者是技术水平有限,导致大功率LED灯普適存在实际使用寿命远远不如理论值,性价比低于传统灯具.本文将对典型的LED翅片整体散热系统进行研究.
1型LED翅片整体散热系统的研究
1.1定常数学模型的建立
LED散热系统达到稳定状态时,固体间的热量传递和流固耦合传热处于定常状态,即整个系统的温度场和流场都不随时间发生变化,考虑热量传递以及质量守恒、动量守恒和能量守恒,可以建立散热系统的定常数学模型.散热系统定常数学模型主要包含三个部分：热传导、辐射换热和对流换热.
1.2 CFD多尺度耦合模型的建立
本项目针对的是自然对流,评价自然对流湍流特性的参数便瑞利数Ra.其定义为：（以长度为基准）；（以间距为基准）.经过验证Ra数量级在109上,所以本项目选择带浮力修正的k-ε模型和P-1模型计算对流换热和热辐射.通过该数学模型对LED阵列的自然对流散热过程进行数值模拟,分析其自然对流流动和散热特性.
模拟区域为0.25m3的开放空间,LED及散热器位于该空间中部.因此,计算域包括固体区域和流体区域两部分.对固体区域,由于不存在对流,仅求解能量方程和辐射方程,且能量方程中无对流项.根据LED灯具公司提供的LED翅片模型,进行简化,由于LED翅片模型是对称结构,我们取其1/4结构以减少计算量.同时将波浪翅片简化成平行翅片,芯片热源简化为一个大小为5mm5mm1mm的热源,不考虑LED封装的塑料部分、透镜、衬底、细导线等对灯体散热的影响,同时为便于网格划分,忽略了对结果影响不大的圆角、孔洞以及部分局部特征.坐标原点位于基板的一个顶点,灯罩、基板和散热器地板的长（x）宽（y）均为135mm, 灯罩和基板厚度（z）分别为4mm和1mm,采用合作单位的功率型LED路灯进行分析,该路灯采用高效集成光源技术：路灯功率为100w,共计4颗芯片,每颗芯片25W,光电转化率为20%,即可以产生20W的热量,换算成单位面积生成量为8108W/m3.其中散热器及翅片采用ZL104铝合金,材料属性为密度是3650kgm-3,导热为147wm-1k-1,比热为753Jkg-1k-1,辐射率由于蒙尘的存在取0.05.
在模拟计算时,对基本方程的离散采用基于节点的有限体积法.压力速度的耦合采用SIMPLE算法.对流换热选择p-1辐射模型.
在进行数值模拟时可以直接给定第三类边界条件并设定表面传热系数.在生成计算域时,域内充满流体介质.加入计算域后,运用ICEM可以实现流固耦合面的网格化分.LED取原来的1/4大小,相应的计算域大小为500mm×500mm×1000mm,采用多尺度CFD模拟方法,对LED附近热量变化较大区域进行精细化划分.同时为了降低网格划分对结果的影响,在大小区域中,网格划分密度都是一样的.由于散热器及计算域的几何形状非常规则,且为了更好的控制网格质量及数量,本文采用分块划分结构化网格的方法,将计算域分成很多规则的立方体,然后再以从边到面,在到体的顺序进行结构化网格划分.网格总数约为106个.
2 定常流动下的流场模型、翅片厚度、表面粗糙度等因素对于微观流动的影响
分别研究定常流动下的流场模型,翅片厚度,表面粗糙度等因素对于微观流动的影响.每个因素下选取了2个水平进行模拟,如表1所示.分别芯片最高温度来分析每组模型的散热情况,最高温度较高的则说明翅片散热能力较差,而最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）
0 1 k-ε 0.05
1 3 k-ε 0.05
2 1 k-ω 0.05
3 1 k-ε 3
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,芯片最高温度为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,芯片最高温度为280摄氏度,远远超过实际芯片能够承受的最高温度,而翅片温度为240度左右,并没有很好地和周围环境进行换热,导致LED整体温度远高于厚度为1mm时的LED整体温度.
翅片论文参考资料：
结论：定常状态下大功率LED灯散热翅片微观流动机制为适合不知如何写翅片方面的相关专业大学硕士和本科毕业论文以及关于翅片分类论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料下载。
