大功率LED散热器的空气强制对流冷却研究
周俊杰+绳冉冉+李雪丽
摘 要： 为了解决大功率LED的散热问题，以数值计算的方法研究平片散热器内部流体的流动换热特性。该文基于COMSOL Multiphysics平台对三种不同湍流模型进行考核，并在此基础上对连续平片和分段平片散热器的散热性能进行比较分析。计算结果表明，标准k?ε模型精度最高；当入口风速由1 m/s增大到9 m/s时，分段平片相对于连续平片换热系数提高了5%～10%，阻力因子降低了3.5%～7.12%。此研究为散热器结构的优化设计提供了理论依据和计算数据。
关键词： 大功率LED； 散热器； 湍流模型； 分段平片； 传热分析
中图分类号： TN011+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0001?03
Study on air forced convection cooling for high?power LED heat sink
ZHOU Junjie， SHENG Ranran， LI Xueli
（School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）
Abstract： Aiming at the heat dissipation problem of the high?power LED， the numerical calculation method is used to study the flow heat interchange characteristic of the fluid inside the plain film heat sink. On the basis of the COMSOL Multiphysics platform， three different turbulence models were examined. On this basis， the comparative analysis for the heat dispersion performance of the heat sinks with continuous plain film and discrete plate film was carried on. The calculation results show that the accuracy of the standard k?? model is the highest； in comparison with the continuous plain film， the heat transfer coefficient of the discrete plate film is increased by 5%～10% and its resistance factor is decreased by 3.5%～7.12% when the inlet velocity is increased from 1 m/s to 9 m/s. This study provides the theoretical basis and calculation data for the optimization design of the heat sink structure.
Keywords： high?power LED； heat sink； turbulence model； discrete plate film； heat transfer analysis
0 引 言
随着LED在照明领域的应用发展，高功率、高品质、小尺寸的LED已经成为重要的发展趋势。然而散热一直是制约LED发展的关键因素。翅片散热器以其结构简单，价格低廉，可操作性强等优点在大功率LED热管理中被广泛采用，并得到国内外学者的一致认同。Byung?Ho Kim等分别对LED芯片尺寸、数量以及基板厚度进行了研究，发现芯片结温与芯片位置关联性很大，基板厚度减小、芯片尺寸增加可以降低结温[1?2]。李骥等人比较了基板水平放置和竖直放置热沉的散热性能[3]。梁才航、王长宏等分析了底板边长、翅片高度、厚度、间距等几何参数对LED结温的影响[4?5]。李灏使用正交试验法对太阳花散热器进行模拟优化设计，并考察了尺寸参数对散热器重量与LED最高温度的影响[6]。周建辉、徐国强采用遗传优化算法，分别对平直翅片散热器和叉指式散热器的结构参数进行优化设计[7?8]。Arik等将平板式和柱状式两种翅片的散热性能进行了对比，发现柱状散热器使热量传递更迅速，使散热片温度的分布更均匀[9?10]。
通过对近年来国内外专家对LED散热技术的研究成果进行归纳和比较，本文利用COMSOL Multiphysics的耦合场分析功能对大功率LED采用空气冷却时的散热过程进行数值模拟，在对三种不同湍流模型（标准，标准，SST）进行考核的基础上，分析比较连续平片和分段平片散热器的散热性能。
1 计算模型及边界条件
由于平板翅片散热器每个肋片的散热过程都相同且对称，取散热器中央的一个流道，左右两侧各取肋片厚的一半作为计算单元。将计算单元放置在矩形通道中进行数值模拟。三维计算模型见图1。计算单元及矩形通道的尺寸参数如表1所示。
将模型的计算区域分成两个部分，散热器为固体区域，矩形通道只有空气流过，作为流体区域。三维流体区域空气采用不可压缩模型，数值模拟时做如下假设：流体物性参数为常数；主要为强制对流换热，沿肋厚方向的导热忽略不计；出口满足局部单向化。为了得到散热器内部流体的流动和换热特性，计算对三维不可压情况下的湍流流动方程进行稳态求解。计算中采用有限元法对偏微分方程组进行求解。边界条件选取为：进口边界给定流体的平均速度，并取等温边界条件，温度为293.15 K；自由出流，与运行环境无压差；翅片底面采用固定热流量壁面边界条件，底面热流密度设定为100 000 W·m-2；通道两外侧壁设为绝热边界，采用无滑移壁面条件；流固耦合面上的边界条件的设置按照壁面函数法确定。采用共轭计算方法，物性参数分别给定，其中固体域用纯铝作材质，流体域为空气。采用非结构化三维混合网格对计算区域进行离散化，经考核，最终选用网格数量为22万。
2 不同湍流模型数值模拟及分析
在本文计算中采用的进口流速为1～9 m/s的情况下，雷诺数的大小为2 349～21 143，属于湍流范围。因此，流动情况为湍流工况。不同湍流模型在数值模拟计算中发挥着不同的作用，由于湍流运动物理上的漩涡流动和数学上的强烈非线性，对于不同情景下的相同湍流模型可能得出不同的结论，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题，所以选用正确的湍流模型至关重要。本文对标准，标准及剪切力传输模型SST三种常见的湍流模型对散热器散热性能的影响进行了研究。图2显示了不同入口速度下不同湍流模型的中心区速度变化情况。三种湍流模型的中心区速度都是先逐渐增加后逐渐减小。和两种模型的中心区速度差别不大，SST模型的中心区速度与另外两种模型差别较大。随着入口速度的增加，SST模型与另两种模型差值减小。这种现象可以通过边界层理论来解释，在距离中心-50 mm之前边界层的影响使部分流体被迫挤入散热器流道内，使得中心区的速度增大，随着流动传热的进行，中心区流体温度慢慢降低，中心流体开始与壁面边界层流体混合，使流动速度减小。
图3为不同湍流模型阻力因子随雷诺数的变化，图4为不同湍流模型压降随入口速度的变化。由图3、图4可以看出，SST模型与另两种模型差值都很大。
文献[7]中拟合出阻力因子和散热器相关参数的关联式为：
式中：s为翅片间距；t为翅片厚度；L为翅片长度；当雷诺数（Re）为5 138时，根据上述公式计算的三种湍流模型阻力因子模拟误差见表2。
由表2可清晰地看出，标准模型相对误差最小，精度高，所以计算工况湍流模型采用标准模型。
3 连续平片和分段平片的散热性能比较
由于LED散热器的翅片与管翅式换热器管外翅片部分类似，受管翅式换热器发展历程的启发[11]，可以把翅片开缝的设计思想应用到LED的平板翅片散热器上。因此，本研究将分段间隔为2 mm的分段平片散热器和连续平片散热器的散热性能进行对比。图5和图6分别为Z=0截面处两种翅片散热器温度场云图和压力场云图（Z=0截面是指散热基板与分段翅片接触的平面）。由图5可知分段平片相对于连续平片，翅片上的最高温度降低了。这是由于当空气进入分段翅片区域时，分段间隔中断了空气在平直基片上的热边界层的继续形成，同时，在分段间隔处有冷空气进入，促进了流体的混合，减少了漩涡死滞区，增强了空气与分段翅片间的对流传热过程，提高了散热器的散热性能。图6结果显示分段平片的压降大于连续平片压降，说明分段平片散热器在提高散热性能的同时，也付出了压降增加的代价。
图7显示了两种翅片结构的换热系数h随速度U的变化曲线。由图7可知，两种翅片结构的换热系数均随速度的增大而增大，并且分段平片的换热系数总大于连续平片的。图8显示了两种翅片结构的阻力因子f随雷诺数Re的变化曲线。由图8可知，两种翅片结构的阻力因子均随雷诺数的增大而减小，并且分段平片的阻力因子总小于连续平片的。经计算，当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段平片相对于连续平片换热系数提高5%～10%，阻力因子降低3.5%～7.12%，说明分段平片散热器具有更好的散热性能。
4 结 论
本研究建立了平板翅片散热器的三维计算模型，在对湍流模型进行考核的基础上，比较分析了连续平片和分段平片的散热性能。主要结论如下：三种湍流模型相比，标准模型误差最小，精度最高，SST模型误差较大。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段平片相对于连续平片换热系数提高了5%～10%，同时阻力因子降低了3.5%～7.12%。相对于连续平片散热器，分段平片散热器具有更好的散热性能。
参考文献
[1] KIM B H， MOON C H. Comparison of the thermal performance of the multichip LED packages [J]. Components packaging and manufacturing technology， 2012， 2（11）： 1832?1837.
[2] LEE H K， LEE D H， SONG Y M， et al. Thermal measurements and analysis of A1GaInP/GaInP MQW red LEDs with different chip sizes and substrate thickness [J]. Solid?state electronics， 2011， 56： 79?84.
[3] 史忠山，李骥.自然对流板肋热沉的三维数值结构优化[J].制冷学报，2013（1）：45?51.
[4] 梁才航，杨永旺，何壮.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报，2016，27（1）：124?128.
[5] 王长宏，谢泽涛，邹大枢，等.大功率LED散热器的数值模拟与优化[J].电子元件与材料，2015，34（6）：44?47.
[6] 李灏，钱新明，陈威.LED太阳花散热器正交试验模拟优化设计[J].照明工程学报，2016，27（1）：119?123.
[7] 周建辉，杨春信.CPU散热器热分析与优化设计[J].现代电子技术，2006，29（18）：1?4.
[8] 徐国强，王梦，陶智，等.叉指式散热器结构的优化设计[J].现代电子技术，2008，31（20）：1?3.
[9] MEHMET A， CHARLES B， STANTON W， et a1.Thermal management of LEDs： package to system [J]. Proceedings of SPIE， 2004， 5187： 64?75.
[10] 李艳红，刘吉普.CPU热柱散热器实验研究与温度场数值模拟[J].现代电子技术，2010，33（6）：178?180.
[11] CHENG Yongpan， QU Zhiguo， TAO Wenquan， et al. Numerical design of efficient slotted fin surface based on the field synergy principle [J]. Numerical heat transfer applications，2004， 45（6）： 517?538.
摘 要： 为了解决大功率LED的散热问题，以数值计算的方法研究平片散热器内部流体的流动换热特性。该文基于COMSOL Multiphysics平台对三种不同湍流模型进行考核，并在此基础上对连续平片和分段平片散热器的散热性能进行比较分析。计算结果表明，标准k?ε模型精度最高；当入口风速由1 m/s增大到9 m/s时，分段平片相对于连续平片换热系数提高了5%～10%，阻力因子降低了3.5%～7.12%。此研究为散热器结构的优化设计提供了理论依据和计算数据。
关键词： 大功率LED； 散热器； 湍流模型； 分段平片； 传热分析
中图分类号： TN011+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0001?03
Study on air forced convection cooling for high?power LED heat sink
ZHOU Junjie， SHENG Ranran， LI Xueli
（School of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）
Abstract： Aiming at the heat dissipation problem of the high?power LED， the numerical calculation method is used to study the flow heat interchange characteristic of the fluid inside the plain film heat sink. On the basis of the COMSOL Multiphysics platform， three different turbulence models were examined. On this basis， the comparative analysis for the heat dispersion performance of the heat sinks with continuous plain film and discrete plate film was carried on. The calculation results show that the accuracy of the standard k?? model is the highest； in comparison with the continuous plain film， the heat transfer coefficient of the discrete plate film is increased by 5%～10% and its resistance factor is decreased by 3.5%～7.12% when the inlet velocity is increased from 1 m/s to 9 m/s. This study provides the theoretical basis and calculation data for the optimization design of the heat sink structure.
Keywords： high?power LED； heat sink； turbulence model； discrete plate film； heat transfer analysis
0 引 言
随着LED在照明领域的应用发展，高功率、高品质、小尺寸的LED已经成为重要的发展趋势。然而散热一直是制约LED发展的关键因素。翅片散热器以其结构简单，价格低廉，可操作性强等优点在大功率LED热管理中被广泛采用，并得到国内外学者的一致认同。Byung?Ho Kim等分别对LED芯片尺寸、数量以及基板厚度进行了研究，发现芯片结温与芯片位置关联性很大，基板厚度减小、芯片尺寸增加可以降低结温[1?2]。李骥等人比较了基板水平放置和竖直放置热沉的散热性能[3]。梁才航、王长宏等分析了底板边长、翅片高度、厚度、间距等几何参数对LED结温的影响[4?5]。李灏使用正交试验法对太阳花散热器进行模拟优化设计，并考察了尺寸参数对散热器重量与LED最高温度的影响[6]。周建辉、徐国强采用遗传优化算法，分别对平直翅片散热器和叉指式散热器的结构参数进行优化设计[7?8]。Arik等将平板式和柱状式两种翅片的散热性能进行了对比，发现柱状散热器使热量传递更迅速，使散热片温度的分布更均匀[9?10]。
通过对近年来国内外专家对LED散热技术的研究成果进行归纳和比较，本文利用COMSOL Multiphysics的耦合场分析功能对大功率LED采用空气冷却时的散热过程进行数值模拟，在对三种不同湍流模型（标准，标准，SST）进行考核的基础上，分析比较连续平片和分段平片散热器的散热性能。
1 计算模型及边界条件
由于平板翅片散热器每个肋片的散热过程都相同且对称，取散热器中央的一个流道，左右两侧各取肋片厚的一半作为计算单元。将计算单元放置在矩形通道中进行数值模拟。三维计算模型见图1。计算单元及矩形通道的尺寸参数如表1所示。
将模型的计算区域分成两个部分，散热器为固体区域，矩形通道只有空气流过，作为流体区域。三维流体区域空气采用不可压缩模型，数值模拟时做如下假设：流体物性参数为常数；主要为强制对流换热，沿肋厚方向的导热忽略不计；出口满足局部单向化。为了得到散热器内部流体的流动和换热特性，计算对三维不可压情况下的湍流流动方程进行稳态求解。计算中采用有限元法对偏微分方程组进行求解。边界条件选取为：进口边界给定流体的平均速度，并取等温边界条件，温度为293.15 K；自由出流，与运行环境无压差；翅片底面采用固定热流量壁面边界条件，底面热流密度设定为100 000 W·m-2；通道两外侧壁设为绝热边界，采用无滑移壁面条件；流固耦合面上的边界条件的设置按照壁面函数法确定。采用共轭计算方法，物性参数分别给定，其中固体域用纯铝作材质，流体域为空气。采用非结构化三维混合网格对计算区域进行离散化，经考核，最终选用网格数量为22万。
2 不同湍流模型数值模拟及分析
在本文计算中采用的进口流速为1～9 m/s的情况下，雷诺数的大小为2 349～21 143，属于湍流范围。因此，流动情况为湍流工况。不同湍流模型在数值模拟计算中发挥着不同的作用，由于湍流运动物理上的漩涡流动和数学上的强烈非线性，对于不同情景下的相同湍流模型可能得出不同的结论，使得理论实验和数值模拟都很难解决湍流问题，所以选用正确的湍流模型至关重要。本文对标准，标准及剪切力传输模型SST三种常见的湍流模型对散热器散热性能的影响进行了研究。图2显示了不同入口速度下不同湍流模型的中心区速度变化情况。三种湍流模型的中心区速度都是先逐渐增加后逐渐减小。和两种模型的中心区速度差别不大，SST模型的中心区速度与另外两种模型差别较大。随着入口速度的增加，SST模型与另两种模型差值减小。这种现象可以通过边界层理论来解释，在距离中心-50 mm之前边界层的影响使部分流体被迫挤入散热器流道内，使得中心区的速度增大，随着流动传热的进行，中心区流体温度慢慢降低，中心流体开始与壁面边界层流体混合，使流动速度减小。
图3为不同湍流模型阻力因子随雷诺数的变化，图4为不同湍流模型压降随入口速度的变化。由图3、图4可以看出，SST模型与另两种模型差值都很大。
文献[7]中拟合出阻力因子和散热器相关参数的关联式为：
式中：s为翅片间距；t为翅片厚度；L为翅片长度；当雷诺数（Re）为5 138时，根据上述公式计算的三种湍流模型阻力因子模拟误差见表2。
由表2可清晰地看出，标准模型相对误差最小，精度高，所以计算工况湍流模型采用标准模型。
3 连续平片和分段平片的散热性能比较
由于LED散热器的翅片与管翅式换热器管外翅片部分类似，受管翅式换热器发展历程的启发[11]，可以把翅片开缝的设计思想应用到LED的平板翅片散热器上。因此，本研究将分段间隔为2 mm的分段平片散热器和连续平片散热器的散热性能进行对比。图5和图6分别为Z=0截面处两种翅片散热器温度场云图和压力场云图（Z=0截面是指散热基板与分段翅片接触的平面）。由图5可知分段平片相对于连续平片，翅片上的最高温度降低了。这是由于当空气进入分段翅片区域时，分段间隔中断了空气在平直基片上的热边界层的继续形成，同时，在分段间隔处有冷空气进入，促进了流体的混合，减少了漩涡死滞区，增强了空气与分段翅片间的对流传热过程，提高了散热器的散热性能。图6结果显示分段平片的压降大于连续平片压降，说明分段平片散热器在提高散热性能的同时，也付出了压降增加的代价。
图7显示了两种翅片结构的换热系数h随速度U的变化曲线。由图7可知，两种翅片结构的换热系数均随速度的增大而增大，并且分段平片的换热系数总大于连续平片的。图8显示了两种翅片结构的阻力因子f随雷诺数Re的变化曲线。由图8可知，两种翅片结构的阻力因子均随雷诺数的增大而减小，并且分段平片的阻力因子总小于连续平片的。经计算，当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段平片相对于连续平片换热系数提高5%～10%，阻力因子降低3.5%～7.12%，说明分段平片散热器具有更好的散热性能。
4 结 论
本研究建立了平板翅片散热器的三维计算模型，在对湍流模型进行考核的基础上，比较分析了连续平片和分段平片的散热性能。主要结论如下：三种湍流模型相比，标准模型误差最小，精度最高，SST模型误差较大。当入口风速由1 m/s增大到9 m/s，分段平片相对于连续平片换热系数提高了5%～10%，同时阻力因子降低了3.5%～7.12%。相对于连续平片散热器，分段平片散热器具有更好的散热性能。
参考文献
[1] KIM B H， MOON C H. Comparison of the thermal performance of the multichip LED packages [J]. Components packaging and manufacturing technology， 2012， 2（11）： 1832?1837.
[2] LEE H K， LEE D H， SONG Y M， et al. Thermal measurements and analysis of A1GaInP/GaInP MQW red LEDs with different chip sizes and substrate thickness [J]. Solid?state electronics， 2011， 56： 79?84.
[3] 史忠山，李骥.自然对流板肋热沉的三维数值结构优化[J].制冷学报，2013（1）：45?51.
[4] 梁才航，杨永旺，何壮.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报，2016，27（1）：124?128.
[5] 王长宏，谢泽涛，邹大枢，等.大功率LED散热器的数值模拟与优化[J].电子元件与材料，2015，34（6）：44?47.
[6] 李灏，钱新明，陈威.LED太阳花散热器正交试验模拟优化设计[J].照明工程学报，2016，27（1）：119?123.
[7] 周建辉，杨春信.CPU散热器热分析与优化设计[J].现代电子技术，2006，29（18）：1?4.
[8] 徐国强，王梦，陶智，等.叉指式散热器结构的优化设计[J].现代电子技术，2008，31（20）：1?3.
[9] MEHMET A， CHARLES B， STANTON W， et a1.Thermal management of LEDs： package to system [J]. Proceedings of SPIE， 2004， 5187： 64?75.
[10] 李艳红，刘吉普.CPU热柱散热器实验研究与温度场数值模拟[J].现代电子技术，2010，33（6）：178?180.
[11] CHENG Yongpan， QU Zhiguo， TAO Wenquan， et al. Numerical design of efficient slotted fin surface based on the field synergy principle [J]. Numerical heat transfer applications，2004， 45（6）： 517?538.
