大功率led分段翅片散热器热设计

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 大功率 LED 分段翅片散热器热设计 摘 要： 针对平板翅片式散热器 存在的不足，提出一种分段翅片散热器。 基于 COMSOL Multiphysics 平台，对不 同分段数的分段翅片散热器的流动传热 过程进行模拟。在此基础上，将 Matlab 模糊推理工具箱与 Simulink 相结合，对 不同结构的散热器进行可靠性评估。最 终得到分段数为 4 的散热器换热系数最 大、可靠性最高、结构最佳，每段翅片 长度、厚度、高度、翅片间距及分段间 隔分别为 29 mm，4 mm，40 mm，10 mm 和 3 mm。当入口风速由 1 m/s 增大 到 9 m/s，分段数为 4 翅片散热器的换 热系数相对于平直翅片散热器提高了 3.42% 5.47%，压降增大了 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 31.60%40.85%，可靠性提高了 0.2。 此研究为散热器结构的优化设计提供了 理论依据和参考。 中国论文网 /8/view-12923675.htm 关键词： COMSOL Multiphysics； Matlab； 分段翅片； 散热器； 传热分析 中图分类号： TN305.94?34 文 献标识码： A 文章编号： 1004?373X（ 2017）10?0125?03 Abstract： Aiming at the insufficiency of the flat plate fin heat sink， a discrete plate fin heat sink is proposed. The flowing heat transfer process of the discrete plate fin heat sink with different segments is simulated on the basis of COMSOL Multiphysics platform. On this basis， the Matlab fuzzy inference toolbox is combined with Simulink to evaluate the reliability of heat sinks with different structures. It is obtained that the heat sink with four -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 segments has the maximum heat transfer coefficient， highest reliability， and optimal structure. The fin length， thickness， height， space and subsection gap are 29 mm， 4 mm， 40 mm， 10 mm and 3 mm respectively. When the wind speed at inlet is increased from 1 m/s to 9 m/s， in comparison with the flat plate fin heat sink， the heat transfer coefficient of the discrete plate fin heat sink with four segments is increased by 3.42%5.47%， its pressure drop is increased by 31.60%40.85%， and its reliability is increased by 20%. This study provides the theoretical basis and a reference for optimization design of the heat sink structure. Keywords ： COMSOL Multiphysics； Matlab； discrete plate fin； heat sink； heat transfer analysis 0 引 言 平板翅片式散崞饕云浣峁辜虻 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 鄹竦土、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，梁才航等人做了大量的关于平板 翅片式散热器散热性能的研究工作，对 于平板翅片散热器的结构参数（基板厚 度、翅片厚度、间距、数量、布置方式） 等进行了大量的优化研究1?5。但从散 热器自身的结构考虑，平板翅片式散热 器中平行排列的翅片使得通过散热器的 气流变得更加均匀，这对强化换热是不 利的。针对平板翅片式散热器的不足， 研究者们开发出了许多其他翅片结构形 式的散热，如锯齿形6、翅柱形7 、 打断翻折型8、分段形9?10。分段翅 片散热器由于阻力小、结构简单而受到 工程师们的喜爱。文献9?10比较了分 段翅片和普通平板翅片的散热性能，得 出分段翅片的换热系数随流速的变化更 强烈，且换热性能优于普通平板翅片。 但是以上文献并未对分段翅片散热器的 结构参数进行优化设计。因此本文在对 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 不同分段数翅片散热器的流动传热过程 进行模拟的基础上，将 Matlab 模糊推 理工具箱与 Simulink 相结合，对不同结 构的散热器进行可靠性评估，最终得出 最佳分段数。 1 数值模拟 1.1 物理模型 1.2 计算区域及计算方法 由于散热器各个通道内的流动状 况基本相同，在两种散热器中各取一个 通道为计算区域，如图 2 所示。计算区 域的两个侧面为翅片的中心对称面。假 设通道内的流动为三维、稳态、不可压 的紊流流动。计算采用的方法为 SIMPLE 算法，湍流模型采用标准k- 模型并与标准壁面函数法结合。动量、 能量、紊动能及紊流耗散率控制方程中 对流项的离散格式均采用具有二阶精度 的 QUICK 格式。 1.3 边界条件 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， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 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。 2 不同分段数翅片散热器 模拟结果分析 对分段数为 25 的翅片散热器 进行数值模拟，得到 Z=0 截面不同分 段数翅片散热器的温度云图如图 3 所示 （Z=0 截面是指散热基板与分段翅片接 触的平面） 。 由图 3 可以看出，分段间隔处的 温度相对于翅片上的温度较低，这是由 于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 了空气与翅片间的对流传热速度。并且， 分段数为 25 的散热器翅片上的最大 温度分别为 344 K，330 K，300 K，304 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 K。说明随着分段翅片数目的增多，翅 片上的最大温度先逐渐降低，后增大。 这是由于随着分段数的增多，进入翅片 间隔处的冷空气流量将会增大，从而使 散热得到强化。但是当分段数目增大到 一定程度后，继续增大分段数，就会导 致散热面积减小，进而导致散热器的散 热效果下降。 图 4 表明不同分段数的散热器换 热系数都随入口速度的增加而增大，并 且增大幅度逐渐减小；在同一入口速度 下，随着分段数的增多，换热系数先逐 渐增大后减小，当分段数为 4 时换热系 数达到最大。当入口风速由 1 m/s 增大 到 9 m/s，分段数为 4 翅片的换热系数 相对于平直翅片提高了 3.42% 5.47%。说明并不是翅片分段数 越多，越有利于提高换热效率，对于每 种结构的散热器都存在最佳的分段数。 由图 5 可以看出，不同分段数的散热器 压降都随入口速度的增加而增大，并且 增大幅度逐渐增大；在同一入口速度下， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 随着分段翅片数量的增多，压降整体上 呈现出上升趋势。分段数为 5 翅片的压 降相对于分段数为 4 翅片增大了 6.96% 16.29%，分段数为 4 翅片的压 降相对于原始翅片增大了 31.60%40.85%。 3 散热器可靠性评估 采用 Matlab 中的模糊推理工具 箱，对不同结构的散热器进行可靠性评 估。选用换热系数 h、热阻 R、进出口 压降 P 作为 3 个输入变量，将可靠性 作为输出变量，输入变量的隶属度函数 都选用梯形，输出变量的函数选用高斯 型。将模糊工具箱与 Simulink 相结合， 对不同结构的散热器进行仿真，确定各 自的可靠性。当入口速度为 3 m/s 时， 不同结构散热器的输入变量见表 2。模 糊规则浏览如图 6 所示。 经计算，平直翅片散热器的可靠 性为 0.4，分段数为 25 的散热器可靠 性分别为 0.4，0.5，0.6，0.5。根据模糊 规则可知，平直翅片和分段数为 2 的翅 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 片散热器可靠性“ 一般” ，分段数为 3，4，5 的散热器可靠性都为“较好” 。 对翅片进行分段处理能够提高散热器的 可靠性，当分段数较少时，并不能快速 提高散热器的可靠性，但当分段数超过 一定值时，继续增大分段数，可靠性反 而会降低。对于本例，分段数为 4 散热 器的可靠性最高。 结合对不同分段数散热器的的温 度场、换热系数、压降和可靠性的分析 可以确定分段数为 4 的散热器结构最佳， 每段翅片长度、厚度、高度、翅片间距 及分段间隔分别为 29 mm，4 mm，40 mm，10 mm 和 3 mm。 4 结 论 本文建立平板翅片式散热器的三 维计算模型，比较分析了不同分段数散 热器的散热性能。结果表明，分段间隔 处的温度相对于翅片上的温度较低。在 同一入口速度下，随着分段数的增多， 压降整体上呈现出上升趋势，换热系数 先逐渐增