大功率LED路灯散热器对流的数值解析

随着LED技术的发展，功率型LED在背光、汽车、户外照明、商业照明等领域都得到飞速发展。但是目前单颗LED的输出光通量较低，对于户外照明，需要将LED集成才能达到所需的亮度。在LED的光电转化中，只有10%～20%的电能转化为光输出，其余的转化为热能，热量通过LED基板传导到外部安装的散热装置来进行散热。为了保证LED路灯的寿命和可靠性，LED芯片结温要控制在120℃以下。LED用于道路照明或隧道照明，要满足防尘、防水、雷击、风压等多方面的要求，所以大功率LED路灯散热器采用自然对流这种冷却方式*佳。

　　针对大功率LED路灯的散热难题，国内外学者或制造者在散热器结构和材料上做了很多工作。刘静等人-采用等效电路的热阻法计算了大功率LED照明器的热阻，并估算了散热器的面积，然后利用Icepak软件进行建模分析，改变散热器结构的几何参数，通过分析比较得出翅片高度变化对散热性能影响*明显。张琦等人采用ANSYS有限元软件对其散热结构进行了热分析，分析了铝制热沉不同结构参数对其温度场的影响情况。通过模拟优化，有效减小了散热器的质量，优化了散热器的结构。胡红利等人基于半导体热电元件和热管技术来控制LED灯散热，并增加一个余热回收系统，结构复杂，附件多，影响其工作的稳定性。张雪粉设计了多种大功率LED散热器模型，但对各个散热器在自然对流的模拟分析过程中，对其表面均采用定值平均换热系数。虽然计算区域只有散热器本身，大大地简化了计算量，减少计算时间，方便散热器设计，但由于几何结构上的复杂性，平均换热系数必须通过实验与数值计算反复校正才能准确得到。L.Dialameh等人对翅片散热器进行了三维数值模拟优化，分析了不同肋片高度与肋片间距中空气的速度大小分布情况；在不同的肋高和肋间距下，得出肋片不同的平均换热系数。

　　常规的50WLED路灯散热器外形如图1所示，其体积大，浪费的金属材料多，成本居高不下，导致大功率LED路灯产业化应用受阻。本文采用Fluent软件对这种散热器进行了三维建模分析，研究了散热器在大空间中自然对流换热的耦合传热问题；研究了散热器散热过程中的温度场与周围空气流动的矢量场，对散热器的结构进行了改进。