隧道LED灯具系统级热管理及强化散热机理研究

隧道采用LED照明系统不仅可有效提高隧道照明安全等级,而且具有十分重要的节能减排意义。目前,制约LED照明系统推广应用的关键因素之一是散热。因此,开展LED散热方面的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。 本研究工作受到国家自然科学基金项目《基于界面微结构模型的LED高效散热机理研究及全热链多尺度模拟》(批准号：611540032)和浙江省自然科学基金重点项目《基于热致声原理的隧道LED照明系统散热机理研究》的资助。本文着眼于隧道LED灯具的系统级热管理,研究散热结构的整体散热性能。基于计算流体动力学(CFD)方法,建立了包括固体散热结构和流体空间的整体计算模型,并通过物理实验验证了数学模型的有效性和计算参数选取的合理性,利用验证后的数学模型开展以下三方面的研究工作：(1)自然对流下,研究隧道特殊环境对板翅式换热器整体换热性能的影响,以及芯片功率对其最佳安装高度的影响规律；(2)强制对流下,板翅式换热器和百叶窗翅片换热器的方向敏感性研究,以及翅片间距和入口风速对板翅式换热器方向敏感性的影响规律；(3)基于场协同原理,探索强化LED散热的机理。 通过上述研究工作的开展,得到以下主要结论： (1)在自然对流下,与开放空间相比,隧道拱顶对LED整体散热性能影响较大,随着拱顶距离的减小和芯片功率的增大,这种影响作用越明显。以板翅式换热器为例,当LED功率为60W时,拱顶对其影响范围只有0.8H(52mm),而当功率增加至150W时,其影响范围增大至4H(260mm)。当芯片功率为100W,拱顶距离从2H(130mm)减小至0.2H(13mm)时,芯片结温升高了8.5K,翅片表面平均换热系数减小了1.1 W/(m2·K)。 (2)强制对流下,板翅式换热器的整体散热性能表现出明显的方向敏感性。流场方向与翅片平行时的换热性能优于流场方向与翅片垂直时的换热性能。当芯片功率为150W,入口风速为2.5m/s时,后者芯片结温比前者升高了18.3K,翅片表面平均换热系数增加了11.1 W/(m2·K)。 (3)随着翅片间距的增大,板翅式换热器的方向敏感性逐渐弱化。当芯片功率为150W,入口风速为2.5m/s,翅片间距从5mm增大至15mm时,板翅式换热器在两个不同安装方向上翅片表面平均换热系数的差值减小了7.1W/(m2·K)。 (4)随着入口风速的减小,板翅式换热器的方向敏感性逐渐弱化。当芯片功率为150W,翅片间距为15mm,入口风速从3.0m/s减小至0.5m/s时,板翅式换热器在两个不同安装方向上翅片表面平均换热系数的差值减小了8.8W/(m2-K)。 (5)与板翅式换热器相比,百叶窗翅片换热器克服了方向敏感性的缺点,在两个方向均表现出优良的换热性能。当芯片功率为90W,入口风速为2.5m/s时,两个不同安装方向上的芯片结温仅相差3.6K,翅片表面平均换热系数相差3.3 W/(m2·K)。 (6)场协同原理表明,换热结构的改进优化了翅片间流场分布,改善了流场与温度场之间的协同性,从而提高了LED的整体散热性能。因此,通过散热结构的改进,优化散热表面流场与温度场之间的协同性,也是强化LED散热的有效途径。