刘 杰，樊嘉杰,2，王 平，施舜锴，郑 良，张 浩

(1.河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022；2.常州市武进区半导体照明应用技术研究院，江苏 常州 213161；3. 代尔夫特理工大学EEMCS学院，荷兰 代尔夫特)

引言

半导体照明产品具有能耗低、环境污染小、寿命长等特点[1,2]，已经逐步成为照明市场的主导。作为典型半导体照明产品中的大功率LED 路灯产品具有省电节能、亮度高、投射距离远等优点[3]，逐步成为未来城市照明系统中的主要产品。然而，大功率 LED 路灯的散热问题一直是限制其大规模应用急需解决的瓶颈[4-6]。散热设计不合理将会影响LED路灯的使用寿命，因而建立合理的模组散热设计方法是LED路灯大规模推广应用的关键技术之一[7,8]。

目前，国内外研究人员主要采用有限元仿真方法对LED路灯模组进行散热仿真，以模拟散热器的散热效果，如：张建新等[9]和郭凌曦等[10]利用数值模拟、仿真模拟和实验验证相结合的方法研究了散热器翅片截面形状及安装角度对散热效果的影响。陈启勇等[11]通过研究自然对流散热过程中散热器的温度场和周围扰流空气的速度矢量场分布，提出了一种新的结构设计，并通过数值计算得到了较理想的结构。阎军等[12]研究了条形散热器和太阳花形散热器的传热问题，结果表明，优化结构能促使LED 结温降低，同时也降低了灯具结构的重量。

本文考虑充分利用空气自然对流来提高散热效果，采用Fluent流体仿真方法研究空气流动速率和流动方向，对太阳花型、波纹型、平板型、平板打孔型(简称打孔型)以及圆管型这五种不同的LED路灯模组散热器散热效果的影响。最后，设计模拟空气流动实验用于验证仿真方法的可行性。

1 模型构建

1.1 三维建模

本节通过 SolidWorks软件构建LED路灯模组的三维模型。根据实际模型和仿真设计的相关要求，首先对实际模型进行相应的简化，以突显模型的主要散热过程。LED路灯模组模型主要由 LED 芯片、PCB 板、铝基板、散热翅片以及空气盒五个部分组成。本文考虑了五种常见的散热翅片，分别为太阳花型、波纹型、平板型、打孔型以及圆管型。

1)模型参数确定。根据设计方案中的限制条件，保持散热翅片的材料和质量相同，即模型所用散热翅片材料为铝材，质量设定为 40g。所有散热器的高度设定为 30 mm，圆管散热器中圆管直径设定为 4 mm，其他四种散热模型中翅片的厚度均设定为 2 mm。根据设计方案的要求和半导体市场情况的调查研究[13]，本文选择的 LED 路灯模组模型中零件的基本尺寸参数如表1所示。

表1 LED路灯模组中零件的尺寸参数Table 1 The size of components in a LED street light module

2)模型简化仿真。在本文设计方案中，对实际LED模型的简化处理包括：①将 LED 视为均匀体，用长度、宽度和厚度分别为 3 mm、3 mm、1 mm 的长方体代替； 3 W功率的加载对象是简化后的LED，并且利用功率密度的数值进行热源的设置。图1为九颗 LED 的简化模型。②本文选用的五种散热器的三维模型及部分尺寸，如图2和表2所示。散热片都采用中心对称结构。其中，打孔型散热器中翅片上孔洞的直径为 3 mm，孔间距为10 mm，并且根据实际设计要求均布于翅片表面。

图1 九颗LED的简化模型Fig.1 Simplified model of nine LEDs

图2 五种散热器的三维模型Fig.2 3D models of selected five heat sinks

1.2 空气流动下的仿真模型

在本节的设计方案中，建立一个布满空气的盒子去模拟空气对流作用，而空气流动的通道由这个长方体盒子的外表面所围成的。本文考虑三种空气流动方向，即0°(空气流向与LED模组平面平行方向)、45°(空气流向与LED模组平面成45°夹角方向)、90°(空气流向与LED模组平面垂直方向)的风速对散热性能的影响。仿真计算中所用的材料物理属性如表3所示。

表2 五种散热翅片的尺寸参数Table 2 Dimensional parameters of selected five heat sinks

表3 仿真中所用材料物理属性Table 3 The Physical properties of materials used in simulation

1)0°风向下LED模组的三维模型。如图3所示，0°方向风速下五种LED模组的三维模型均为中心对称结构，且考虑到网格划分时的网格量和软件仿真计算量[14]，所以采用1/2模型结构来进行仿真计算。

图3 五种LED模组的三维模型Fig.3 3D models of five LED modules

2)45°风向下LED模组的三维模型。为了得到45°方向风速，本文对空气盒进行特别的设计和优化，以波纹型为例的三维模型如图4所示。设定此空气盒45°方向的高度为212 mm，水平截面仍设定为边长150 mm的正方形，仍然采用1/2模型结构来进行仿真计算。

图4 45°风向下LED模组的三维模型Fig.4 3D model of LED module with a 45°air flow direction

2 分析与讨论

2.1 Fluent仿真计算流程

本文采用的Fluent仿真方法是在流体建模中常用的CFD软件。在使用Fluent进行分析计算时，需要考虑选择适用的物理模型，确定物理系统的计算区域和边界条件，以及判断维度的问题。本文的基本分析流程如图5所示。

图5 Fluent仿真流程图Fig.5 The flowchart of Fluent simulation

2.2 0°风向下的仿真结果

本节根据以上仿真流程设置材料参数，设定速度入口面、压力出口面、对流换热面以及对称面，并以圆管型为例的仿真模型和温度分布云如图6所示。同理，根据其他四种散热模型的仿真计算温度云图，统计了五种模型在不同风速作用下的最高温度，如图7所示。

图6 风向为0°时的仿真模型及结果Fig.6 Simulation model when the wind direction is 0°

图7 五种模型中LED最高温度随空气流速变化曲线Fig.7 The maximum temperature of LEDs in five models varying with air flow rate

从图7中可以看出，当风速大于2 m/s时，模型最高温度的变化速率开始减缓。这表明在一定范围内增加空气的流速，对于芯片的散热效果具有明显的改善作用；而当流速达到一定的值后，再继续增大流速，对模型散热性能的影响就会逐步的减小。在强制对流条件下，太阳花型散热器的散热效果最差。图8为太阳花型散热器在空气流速为1 m/s时温度分布云图和流速分布云图。由图8(a)可知模型背风面温度较高，说明模型背风面热量很难被流动空气带走，只能从其上部散发出去，这降低了模型的散热速率和能力。从图8(b)中可以看出，在太阳花型模型的背风面以及其左上方区域空气流速远低于设定的1 m/s，即流动的空气难以到达模型的背风面，明显地弱化了空气强制对流对模型散热的促进作用[15]，很大程度上弱化了太阳花型散热器的散热效果，导致模型温度的升高。

图8 太阳花型模型的温度和流速分布云图Fig.8 The temperature and velocity distributions of the sun flower model

相比于太阳花型散热器模型，其他四种模型的散热能力具有明显的优势，这从几何结构上可以找到直接原因，在其余的四种结构中，类板状或者板状的几何结构使空气能更容易流过散热器所有的表面，促进散热器与空气之间的对流换热作用[16]，增强了模型的散热能力，使模型的温度下降。由图7可知，圆管型散热器具有很好的散热性能，是一种良好的设计参考方案。圆管型散热器模型周围温度场分布相对均匀，并且模型周围的流体速度场也表现出较为均匀的变化趋势，在一定程度上促进了模型与空气之间的对流换热过程，促使模型温度的降低[17]。在散热器翅片与空气对流换热过程中，空气流体沿翅片表面流动，由于流体的黏性作用，在紧贴散热器壁面的区域内将形成热边界层，所形成的热边界层会随着空气流动而逐渐扩散和延伸,厚度也会随之逐渐增加[18, 19]，如图9所示，空气流经圆柱壁面时，边界层内流体的流速以及流向发生了改变，而后在尾迹区形成漩涡状的紊流流体。模型流场中紊流的出现，会促进热边界层厚度的降低，使导热热阻减小，强化空气与散热器表面的局部对流，很大程度上提高了模型的散热效率，最终促进模型最高温度的降低。

图9 圆管型流速分布云图和流场流线图Fig.9 The flow velocity distribution and flow field of heat pipe model

2.3 空气流向对模组散热性能的影响

本节在保持风速变化的同时(风速设计为1～5 m/s五种风速)，考虑另外两种空气流向(空气流向与基板圆面成45°夹角和垂直夹角)对模型散热性能的影响。根据流程设置边界条件如图10所示。本节通过仿真计算得到五种散热器模型在三种风向和五种风速下芯片的最高温度，由图11可知，在三种空气流向的情况下，随着空气流速的增加，五种散热器模型芯片最高温度都持续地降低，并且当空气流速达到2 m/s之后，再增加空气流速，对于模型散热性能的影响会逐步地减小，这与前面得到的规律一致。在所选定的三种空气流向中，当空气流向与基板圆面成45°夹角时，模型芯片的最高温度最低，这说明空气流向的变化在一定程度上强化了对流换热的作用，促使模型中的芯片温度进一步地降低。

图10 模型边界条件设置示意图Fig.10 Schematic diagram of model boundary condition setting

图12为在45°风向下几种散热器模型中气流流场分布图，太阳花型散热器中大部分的流体与散热器迎风面接触后，从散热器的上部流走，导致流动空气与散热器表面的接触不够充分，弱化了散热器背风面散热的作用，使LED最高温度的降低幅度减少，因此LED温度最高。针对于平板型、打孔型和圆管型三种散热器，在不同的空气流速下，这三种模型的芯片最高温度比较接近。空气流向散热器时可以到达其内部，与散热翅片表面有充分的接触，保证对流换热的有效进行，促使LED产生的热量可以迅速被流动空气带走，使温度降低。

图11 不同风速流向下LED最高温度变化图Fig.11 The maximum temperature of LEDs under different air flow directions varying with air flow rate

3 路灯模组散热优化及实验验证

为了验证以上仿真方法的可行性，本节选取采用Philips Lumileds Luxeon T系列LED封装设计的路灯模组作为研究对象，其单颗LED封装的额定功率为3 W，总功率为42 W ，如图13所示。

图13 实验所用的LED路灯模组Fig.13 The LED street light module used in the experiment

3.1 仿真计算的参数设计和流程

表4为LED路灯模组结构的实际几何参数数据，利用SolidWorks进行三维模型的建立。其中，PCB基板中心孔的孔径为12.75 mm。

表4 LED路灯模组几何参数Table 4 The geometric parameters of LED street light modules

假设LED芯片为均匀发热体，忽略其内部热阻，并用3.7 mm×3.7 mm×1 mm的长方体简化。模型所使用的材料都是各向同性材料，且不考虑热辐射对模型散热的影响。模组散热器的三维模型以及部分仿真计算云图，如图14所示。根据仿真计算结果，对路灯模组在强制对流情况下的六种风速作用下的LED最高温度进行统计分析，如表5所示。

图14 LED路灯模组Fig.14 LED street light module

表5 强制对流下路灯模组中LED的最高温度Table 5 The maximum temperature of LED in the street light module under different air flow rates

随着风速的增加，路灯模组中LED最高温度在持续地降低。当风速达到4 m/s以后，模型最高温度的变化速率逐渐降低，这与之前仿真计算研究得出的规律一致。

3.2 路灯模组散热优化实验验证

1)实验装置以及实验条件。如图15所示，本实验利用变频管道风机产生不同风速的风，模拟路灯模组在实际使用时与空气的强制对流，并且利用测速仪进行风速的检测和校准。实验环境温度为298 K，利用风道保证风速和风向的准确性。

2)温度测量方法。一般测量LED温度的方法分成两种：非接触式测量；接触式测量。非接触式测量方法包括：红外线测温仪测量、峰值波长法和蓝白比法等。接触式测量方法包括：正向电压法、管脚法、热电偶测量仪测量等[20]。本实验采用JK804多路温度测试仪和红外测温仪两种方法测量路灯模组中LED的温度。其中，JK804多路温度测试仪的温度测量点如图16所示。利用红外测量仪进行模组温度采集时，测量镜头通过压力出口(即流动空气的出口处)对已经处于稳定工作情况下的路灯模组表面温度进行测量，如图15所示。

图15 实验装置示意图Fig.15 Experimental setup

图16 路灯模组测温点Fig.16 The temperature measurement points on the LED street light module

本实验分别在3 m/s、4 m/s、5 m/s和6 m/s四种风速情况下，采用以上两种方法对LED模组的温度进行测量。图17对比了LED路灯模组温度的测试结果和真计算结果，可以得到：实验测试结果和和仿真计算均保持一致的趋势，即随着风速增加，温度呈现逐渐降低的趋势。实验与仿真计算的温度差值在2～6 ℃之间，误差率在0.43%～8.68%之间，在合理范围内。因此，本文采用Fluent流体仿真方法对LED路灯模组进行的散热仿真具有较高的可行性。

图17 LED路灯模组温度的测试结果和仿真计算结果对比Fig.17 The comparison of temperature measurement results with simulated results for LED street light module

4 结论

本文考虑充分利用空气自然对流来提高散热效率，采用Fluent流体仿真方法研究空气流动速率和流动方向，对太阳花型、波纹型、平板型、平板打孔型(简称打孔型)以及圆管型这五种不同的LED路灯模组散热器散热效果的影响，得出散热模型的最佳设计。研究结果表明：①圆管型散热器既具有较大的空气接触面积，又会在尾迹区形成漩涡状的紊流，这可以降低热边界层厚度，减小导热热阻，提高散热效率；②当空气流向与LED模组平面成45°夹角方向时，气流对提高散热器的散热效果最佳。