隧道LED燈具系統(tǒng)級熱管理及強(qiáng)化散熱機(jī)理研究.pdf

1、隧道采用LED照明系統(tǒng)不僅可有效提高隧道照明安全等級，而且具有十分重要的節(jié)能減排意義。目前，制約LED照明系統(tǒng)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一是散熱。因此，開展LED散熱方面的研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 本研究工作受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《基于界面微結(jié)構(gòu)模型的LED高效散熱機(jī)理研究及全熱鏈多尺度模擬》(批準(zhǔn)號：611540032)和浙江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目《基于熱致聲原理的隧道LED照明系統(tǒng)散熱機(jī)理研究》的資助。本文著

2、眼于隧道LED燈具的系統(tǒng)級熱管理，研究散熱結(jié)構(gòu)的整體散熱性能。基于計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)方法，建立了包括固體散熱結(jié)構(gòu)和流體空間的整體計(jì)算模型，并通過物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性和計(jì)算參數(shù)選取的合理性，利用驗(yàn)證后的數(shù)學(xué)模型開展以下三方面的研究工作：(1)自然對流下，研究隧道特殊環(huán)境對板翅式換熱器整體換熱性能的影響，以及芯片功率對其最佳安裝高度的影響規(guī)律；(2)強(qiáng)制對流下，板翅式換熱器和百葉窗翅片換熱器的方向敏感性研究，以及翅片間距和入

3、口風(fēng)速對板翅式換熱器方向敏感性的影響規(guī)律；(3)基于場協(xié)同原理，探索強(qiáng)化LED散熱的機(jī)理。
　　 通過上述研究工作的開展，得到以下主要結(jié)論：
　　 (1)在自然對流下，與開放空間相比，隧道拱頂對LED整體散熱性能影響較大，隨著拱頂距離的減小和芯片功率的增大，這種影響作用越明顯。以板翅式換熱器為例，當(dāng)LED功率為60W時(shí)，拱頂對其影響范圍只有0.8H(52mm)，而當(dāng)功率增加至150W時(shí)，其影響范圍增大至4H(260mm)

4、。當(dāng)芯片功率為100W，拱頂距離從2H(130mm)減小至0.2H(13mm)時(shí)，芯片結(jié)溫升高了8.5K，翅片表面平均換熱系數(shù)減小了1.1 W/(m2·K)。
　　 (2)強(qiáng)制對流下，板翅式換熱器的整體散熱性能表現(xiàn)出明顯的方向敏感性。流場方向與翅片平行時(shí)的換熱性能優(yōu)于流場方向與翅片垂直時(shí)的換熱性能。當(dāng)芯片功率為150W，入口風(fēng)速為2.5m/s時(shí)，后者芯片結(jié)溫比前者升高了18.3K，翅片表面平均換熱系數(shù)增加了11.1W/(m2·K

5、)。
　　 (3)隨著翅片間距的增大，板翅式換熱器的方向敏感性逐漸弱化。當(dāng)芯片功率為150W，入口風(fēng)速為2.5m/s，翅片間距從5mm增大至15mm時(shí)，板翅式換熱器在兩個不同安裝方向上翅片表面平均換熱系數(shù)的差值減小了7.1W/(m2·K)。
　　 (4)隨著入口風(fēng)速的減小，板翅式換熱器的方向敏感性逐漸弱化。當(dāng)芯片功率為150W，翅片間距為15mm，入口風(fēng)速從3.0m/s減小至0.5m/s時(shí)，板翅式換熱器在兩個不同安裝方向

6、上翅片表面平均換熱系數(shù)的差值減小了8.8W/(m2·K)。
　　 (5)與板翅式換熱器相比，百葉窗翅片換熱器克服了方向敏感性的缺點(diǎn)，在兩個方向均表現(xiàn)出優(yōu)良的換熱性能。當(dāng)芯片功率為90W，入口風(fēng)速為2.5m/s時(shí)，兩個不同安裝方向上的芯片結(jié)溫僅相差3.6K，翅片表面平均換熱系數(shù)相差3.3W/(m2·K)。
　　 (6)場協(xié)同原理表明，換熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)優(yōu)化了翅片間流場分布，改善了流場與溫度場之間的協(xié)同性，從而提高了LED的整體