大功率LED相变散热器的建模仿真
随着电力电子行业的飞速发展，尤其在大功率照明领域，相变冷却散热方式具有很大的应用潜力。本文分析了大功率LED散热技术的现状及原理，对一种微槽相变冷却方式进行了研究。通过理论研究和数值仿真的方法，对该相变散热器相关的一系列流动与传热问题进行了分析研究，研究结果对散热器工作原理的认识、设计与选择提供了参考。
分析了散热器内部微槽中薄膜状液态工质从液相到气相的吸热机理以及微槽内弯月面区域形成的原因。使用有限元法分析软件进行建模仿真，获得了微槽内相变吸热、散热面相变放热及散热器外表面温度分布结果。结果表明，微槽蒸发元件的每个槽内，液体在三相接触线附近存在薄膜蒸发区域，最高换热系数达到3.5×103W/cm2；外部热负荷增大会导致微槽中弯月面曲率半径变大；热平衡时散热器外表面温差小于3℃，具有良好的热均匀性。
关键词：LED；有限元法；矩形毛细微槽；相变换热；换热系数
本课题利用COMSOL Multiphysics任意多物理场耦合的特点，对涉及多个物理场的微槽群相变散热器进行物理场耦合分析。课题研究内容主要分为以下4个方面：
（1）对散热器涉及的相变原理、微槽弯液面形成原因进行理论分析。
（2）利用流体流动相场方法对微槽群相变取热进行数值仿真。得到不同时刻工作物质的气相和液相分布及不同时刻取热热通量分布；分析微槽弯液面区形成的原因及对相变取热的促进作用；分析不同热负荷对弯液面的形状及取热热通量大小的影响。
（3）利用流体传热和Darcy定律对散热器内部热管传热进行数值仿真。得到稳态下热管温度分布；分析工质扩散系数对温度分布的影响。
（4）通过多物理场耦合分析，得到散热器外表面温度分布。
1.4本章小结
本章对大功率LED散热器的重要性进行了论述，例举并分析了多种散热冷却方式的原理及特点，介绍了一种微槽群复合相变散热器的原理。分析总结了国内外对微槽群相变散热器的主要研究结果，提出了本课题的研究内容。
图1 LED内部结构.1
图2 LED外部结构.1
图3 部分LED路灯产品..1
图4 LED发光效率与结温关系.1
表1 常见散热方式优缺点..3
图5 毛细微槽群结构4
图6 COMSOL Multiphysics服务器.5
图7 微槽群相变散热器冷却系统结构示意图.6
图8 物质三相转化过程中的能量关系8
图9 微槽弯月面横截面.10
图10 微槽群几何模型..12
表2 微槽群模型关键变量17
图11 flc2hs(x)函数示意图17
图12 不同时刻流体体积分数分布，120W18
图13 表面热通量大小，120W19
图14 不同时刻温度分布，120W..20
图15不同时刻流体体积分数分布，1000W..21
图16 表面热通量大小，1000W.22
图17 不同时刻温度分布，1000W.23
图18 散热器内部热管分布示意图..24
图19 热管单元示意图.25图20 热管几何模型..26
表3 热管模型关键变量.28
图21 热管温度分布..29
图22 多孔芯体中流体质量分数分布.30
图23 温度分布与流体扩散系数的关系.31
图24 散热器几何模型.32
表4 散热器模型基本参数32
图25 散热器模型外表面温度分布..34
图26 散热器实物外表面温度分布..35
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
图表目录 V
第1章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2研究现状 3
1.2.1常见的LED散热冷却方式的原理及特点 3
1.2.2微槽相变散热器的研究历史和现状 4
1.3课题主要研究内容 5
1.4本章小结 7
第2章 相变散热器原理分析 8
2.1相变取热原理的理论分析 8
2.2矩形微槽横截面内液体弯月面形状的理论分析 10
2.3本章小结 11
第3章 基于COMSOL的相变散热器的仿真实现 12
3.1微槽群内液体蒸发取热模型的仿真实现 12
3.1.1模型定义 12
3.1.2控制方程及边界条件 13
3.1.3结果与讨论 18
3.2散热器内热管传热模型的仿真实现 24
3.2.1模型定义 25
3.2.2控制方程及边界条件 27
3.2.3结果与讨论 29
3.3散热器外表面温度分布模型的仿真与实现 32
3.3.1模型定义 32
3.3.2控制方程及边界条件 33
3.3.3结果与讨论 34
3.4本章小结 35
第4章 总结与展望 36
4.1总结 36
4.2对未来工作的展望 37
参考文献 38
致 谢 40
附录一：攻读学士学位期间获得的相关成果 41
附录二:所获学科竞赛奖励相关证明 42
分析了散热器内部微槽中薄膜状液态工质从液相到气相的吸热机理以及微槽内弯月面区域形成的原因。使用有限元法分析软件进行建模仿真，获得了微槽内相变吸热、散热面相变放热及散热器外表面温度分布结果。结果表明，微槽蒸发元件的每个槽内，液体在三相接触线附近存在薄膜蒸发区域，最高换热系数达到3.5×103W/cm2；外部热负荷增大会导致微槽中弯月面曲率半径变大；热平衡时散热器外表面温差小于3℃，具有良好的热均匀性。
关键词：LED；有限元法；矩形毛细微槽；相变换热；换热系数
本课题利用COMSOL Multiphysics任意多物理场耦合的特点，对涉及多个物理场的微槽群相变散热器进行物理场耦合分析。课题研究内容主要分为以下4个方面：
（1）对散热器涉及的相变原理、微槽弯液面形成原因进行理论分析。
（2）利用流体流动相场方法对微槽群相变取热进行数值仿真。得到不同时刻工作物质的气相和液相分布及不同时刻取热热通量分布；分析微槽弯液面区形成的原因及对相变取热的促进作用；分析不同热负荷对弯液面的形状及取热热通量大小的影响。
（3）利用流体传热和Darcy定律对散热器内部热管传热进行数值仿真。得到稳态下热管温度分布；分析工质扩散系数对温度分布的影响。
（4）通过多物理场耦合分析，得到散热器外表面温度分布。
1.4本章小结
本章对大功率LED散热器的重要性进行了论述，例举并分析了多种散热冷却方式的原理及特点，介绍了一种微槽群复合相变散热器的原理。分析总结了国内外对微槽群相变散热器的主要研究结果，提出了本课题的研究内容。
图1 LED内部结构.1
图2 LED外部结构.1
图3 部分LED路灯产品..1
图4 LED发光效率与结温关系.1
表1 常见散热方式优缺点..3
图5 毛细微槽群结构4
图6 COMSOL Multiphysics服务器.5
图7 微槽群相变散热器冷却系统结构示意图.6
图8 物质三相转化过程中的能量关系8
图9 微槽弯月面横截面.10
图10 微槽群几何模型..12
表2 微槽群模型关键变量17
图11 flc2hs(x)函数示意图17
图12 不同时刻流体体积分数分布，120W18
图13 表面热通量大小，120W19
图14 不同时刻温度分布，120W..20
图15不同时刻流体体积分数分布，1000W..21
图16 表面热通量大小，1000W.22
图17 不同时刻温度分布，1000W.23
图18 散热器内部热管分布示意图..24
图19 热管单元示意图.25图20 热管几何模型..26
表3 热管模型关键变量.28
图21 热管温度分布..29
图22 多孔芯体中流体质量分数分布.30
图23 温度分布与流体扩散系数的关系.31
图24 散热器几何模型.32
表4 散热器模型基本参数32
图25 散热器模型外表面温度分布..34
图26 散热器实物外表面温度分布..35
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
图表目录 V
第1章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2研究现状 3
1.2.1常见的LED散热冷却方式的原理及特点 3
1.2.2微槽相变散热器的研究历史和现状 4
1.3课题主要研究内容 5
1.4本章小结 7
第2章 相变散热器原理分析 8
2.1相变取热原理的理论分析 8
2.2矩形微槽横截面内液体弯月面形状的理论分析 10
2.3本章小结 11
第3章 基于COMSOL的相变散热器的仿真实现 12
3.1微槽群内液体蒸发取热模型的仿真实现 12
3.1.1模型定义 12
3.1.2控制方程及边界条件 13
3.1.3结果与讨论 18
3.2散热器内热管传热模型的仿真实现 24
3.2.1模型定义 25
3.2.2控制方程及边界条件 27
3.2.3结果与讨论 29
3.3散热器外表面温度分布模型的仿真与实现 32
3.3.1模型定义 32
3.3.2控制方程及边界条件 33
3.3.3结果与讨论 34
3.4本章小结 35
第4章 总结与展望 36
4.1总结 36
4.2对未来工作的展望 37
参考文献 38
致 谢 40
附录一：攻读学士学位期间获得的相关成果 41
附录二:所获学科竞赛奖励相关证明 42
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jsj/jsjkxyjs/3225.html
