基于翅片式熱管散熱器的大功率LED散熱數(shù)值模擬與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義隨著科技的飛速發(fā)展，大功率LED（發(fā)光二極管）憑借其高效節(jié)能、壽命長、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)勢，在照明、顯示、汽車車燈等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。以LED照明為例，與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，其能耗大幅降低，節(jié)能效果顯著，在全球積極倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，具有重要的推廣價(jià)值。在汽車車燈領(lǐng)域，LED光源不僅能夠提供更明亮、更清晰的照明效果，提升夜間行車的安全性，而且其響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能在車輛制動(dòng)或轉(zhuǎn)向時(shí)迅速點(diǎn)亮相應(yīng)燈光，有效避免交通事故的發(fā)生。然而，大功率LED在工作過程中存在一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題，即散熱難題。LED芯片的電光轉(zhuǎn)換效率相對較低，目前僅有10%-20%的電能能夠轉(zhuǎn)化為光能，而其余80%-90%的電能則都以熱能的形式釋放出來。大量熱量的產(chǎn)生如果不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，會(huì)使LED芯片的溫度急劇升高。當(dāng)芯片溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一系列嚴(yán)重后果，如發(fā)光效率大幅下降，光通量衰減加劇，從而影響照明的亮度和效果；同時(shí)，芯片的壽命也會(huì)大幅縮短，增加設(shè)備的維護(hù)成本和更換頻率；此外，還可能引發(fā)波長漂移，使發(fā)光顏色發(fā)生改變，無法滿足一些對顏色精度要求較高的應(yīng)用場景，如顯示屏、舞臺燈光等。因此，高效的散熱對于保證大功率LED的穩(wěn)定性能、延長其使用壽命以及拓展其應(yīng)用范圍都具有至關(guān)重要的意義。為了解決大功率LED的散熱問題，翅片式熱管散熱器應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。熱管是一種具有極高導(dǎo)熱性能的新型傳熱元件，其工作原理是利用內(nèi)部工作流體在蒸發(fā)段吸收熱量后蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差作用下快速流向冷凝段，在冷凝段釋放熱量后重新凝結(jié)成液體，液體再通過毛細(xì)力或重力等作用回流到蒸發(fā)段，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞。將熱管與翅片相結(jié)合形成的翅片式熱管散熱器，充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢。一方面，熱管能夠迅速將LED芯片產(chǎn)生的高熱量快速傳遞到翅片上；另一方面，翅片通過增加散熱面積，顯著增強(qiáng)了與周圍空氣的對流換熱能力，從而實(shí)現(xiàn)了高效散熱。這種散熱器在電子設(shè)備散熱領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值，它不僅能夠有效降低LED芯片的溫度，提高其工作穩(wěn)定性和可靠性，還具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境和空間限制。在研究和設(shè)計(jì)翅片式熱管散熱器時(shí)，數(shù)值模擬方法發(fā)揮著不可或缺的重要作用。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究方法雖然能夠獲得較為準(zhǔn)確的實(shí)際數(shù)據(jù)，但往往需要耗費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力成本。例如，為了測試不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件下的散熱器性能，需要制作多個(gè)不同規(guī)格的物理模型，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測試，這一過程不僅繁瑣復(fù)雜，而且成本高昂。而數(shù)值模擬方法則能夠很好地彌補(bǔ)這些不足。通過建立合理的數(shù)學(xué)模型和物理模型，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以在短時(shí)間內(nèi)對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（如翅片的形狀、尺寸、間距，熱管的管徑、數(shù)量、布局等）和工況條件（如環(huán)境溫度、風(fēng)速、熱流密度等）下的翅片式熱管散熱器的散熱性能進(jìn)行全面、深入的分析和預(yù)測。這不僅能夠大大縮短研發(fā)周期，加快產(chǎn)品的上市速度，還能顯著降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。同時(shí)，數(shù)值模擬還可以為實(shí)驗(yàn)研究提供有力的理論指導(dǎo)，幫助實(shí)驗(yàn)人員更好地理解散熱器內(nèi)部的傳熱和流動(dòng)機(jī)制，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究的有機(jī)結(jié)合，能夠更加深入、全面地了解翅片式熱管散熱器的性能特點(diǎn)和工作規(guī)律，為其進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在大功率LED散熱領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)開展了大量深入且富有成效的研究工作。國外方面，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家在LED散熱技術(shù)研究方面起步較早，憑借其先進(jìn)的科研設(shè)備和雄厚的技術(shù)實(shí)力，取得了一系列具有開創(chuàng)性的研究成果。美國的一些科研團(tuán)隊(duì)利用微納加工技術(shù)，成功制備出具有特殊結(jié)構(gòu)的微納散熱材料，并將其應(yīng)用于大功率LED散熱領(lǐng)域。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，這種新型材料能夠顯著提高散熱效率，有效降低LED芯片的溫度，為大功率LED的高效散熱開辟了新的途徑。日本的研究人員則在熱管散熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了深入探索，通過對熱管的管徑、長度、內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)以及翅片的形狀、尺寸、間距等參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了多種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化后的翅片式熱管散熱器在相同工況下，散熱性能比傳統(tǒng)散熱器提高了30%-50%，為大功率LED的散熱提供了更有效的解決方案。國內(nèi)在大功率LED散熱技術(shù)研究方面雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，取得了眾多令人矚目的成果。許多高校和科研機(jī)構(gòu)紛紛加大對該領(lǐng)域的研究投入，在理論研究、實(shí)驗(yàn)測試和工程應(yīng)用等方面都取得了顯著進(jìn)展。清華大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)通過建立詳細(xì)的熱傳導(dǎo)模型，對大功率LED芯片的熱特性進(jìn)行了深入的數(shù)值模擬分析。研究結(jié)果不僅揭示了LED芯片內(nèi)部的熱傳遞規(guī)律，還為散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，浙江大學(xué)的研究人員通過搭建高精度的實(shí)驗(yàn)測試平臺，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況條件下的翅片式熱管散熱器的散熱性能進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的測試。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，深入研究了翅片間距、翅片高度、熱管數(shù)量等因素對散熱性能的影響規(guī)律，為散熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。在翅片式熱管散熱器數(shù)值模擬方面，國內(nèi)外的研究主要集中在建立準(zhǔn)確的物理模型和數(shù)學(xué)模型，以及利用先進(jìn)的數(shù)值計(jì)算方法對散熱器的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行模擬分析。國外的一些研究團(tuán)隊(duì)采用有限元方法（FEM）對翅片式熱管散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠精確地計(jì)算散熱器內(nèi)部的溫度分布和熱應(yīng)力分布。通過對模擬結(jié)果的分析，他們發(fā)現(xiàn)了散熱器在傳熱過程中存在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了針對性的改進(jìn)措施，有效地提高了散熱器的散熱性能。國內(nèi)的學(xué)者則更多地采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法，如FLUENT、ANSYS等軟件，對翅片式熱管散熱器的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。通過模擬不同工況下散熱器內(nèi)部的空氣流動(dòng)和熱量傳遞過程，深入研究了風(fēng)速、熱流密度等因素對散熱性能的影響。例如，西安交通大學(xué)的研究人員利用FLUENT軟件對一種新型翅片式熱管散熱器進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過優(yōu)化翅片的形狀和排列方式，使散熱器的散熱性能提高了20%以上。盡管國內(nèi)外在大功率LED散熱及翅片式熱管散熱器數(shù)值模擬方面已經(jīng)取得了豐碩的研究成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，目前對于熱管內(nèi)部復(fù)雜的氣液兩相流和傳熱機(jī)理的認(rèn)識還不夠深入，一些理論模型還存在一定的局限性，無法準(zhǔn)確地描述熱管在實(shí)際工作過程中的傳熱和流動(dòng)特性。在數(shù)值模擬方面，雖然現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法和軟件能夠?qū)ι崞鞯男阅苓M(jìn)行有效的預(yù)測和分析，但模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間仍存在一定的誤差。這主要是由于在建模過程中對一些復(fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行了簡化處理，以及對材料的物性參數(shù)和邊界條件的設(shè)定不夠準(zhǔn)確等原因?qū)е碌?。在?shí)驗(yàn)研究方面，目前的實(shí)驗(yàn)測試方法和設(shè)備還存在一定的局限性，難以對散熱器內(nèi)部微觀的傳熱和流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，這在一定程度上限制了對散熱機(jī)理的進(jìn)一步理解和認(rèn)識。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，大功率LED的散熱環(huán)境往往比較復(fù)雜，受到多種因素的影響，而目前的研究大多集中在理想工況下，對于實(shí)際復(fù)雜工況下的散熱性能研究還相對較少，這也制約了翅片式熱管散熱器在實(shí)際工程中的應(yīng)用和推廣。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞翅片式熱管散熱器在大功率LED散熱方面展開，主要研究內(nèi)容涵蓋多個(gè)關(guān)鍵層面。首先，構(gòu)建精確的翅片式熱管散熱器物理模型與數(shù)學(xué)模型。在物理模型構(gòu)建過程中，全面、細(xì)致地考慮熱管的管徑、長度、內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)，以及翅片的形狀（矩形、圓形、波紋形等）、尺寸（高度、厚度）、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保模型能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映散熱器的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，充分考慮大功率LED芯片的發(fā)熱特性，如熱流密度分布、產(chǎn)熱速率等，以及散熱器與周圍環(huán)境的換熱條件，包括環(huán)境溫度、空氣流速等因素。在數(shù)學(xué)模型建立方面，基于傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基本原理，運(yùn)用能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及連續(xù)性方程等，準(zhǔn)確描述散熱器內(nèi)部的熱量傳遞和流體流動(dòng)過程。對于熱管內(nèi)部復(fù)雜的氣液兩相流現(xiàn)象，采用合適的理論模型進(jìn)行描述，如均相流模型、分相流模型等，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。其次，深入開展數(shù)值模擬研究，借助專業(yè)的CFD軟件（如ANSYSFLUENT、COMSOLMultiphysics等）對不同工況下翅片式熱管散熱器的散熱性能進(jìn)行全面分析。在模擬過程中，系統(tǒng)地研究環(huán)境溫度、風(fēng)速、熱流密度等工況條件對散熱性能的影響規(guī)律。通過改變環(huán)境溫度，模擬在不同季節(jié)、不同使用環(huán)境下散熱器的工作性能，分析溫度變化對散熱效果的影響機(jī)制；調(diào)整風(fēng)速大小，研究強(qiáng)制對流換熱情況下，風(fēng)速與散熱效率之間的關(guān)系，確定最佳的風(fēng)速范圍；改變熱流密度，模擬大功率LED在不同工作功率下的散熱情況，探究熱流密度對散熱器溫度分布和散熱能力的影響。同時(shí)，對熱管和翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建立參數(shù)化模型，運(yùn)用優(yōu)化算法（如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等），尋找使散熱器散熱性能達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。例如，通過優(yōu)化翅片的形狀和排列方式，增加空氣擾動(dòng)，提高對流換熱系數(shù)；調(diào)整熱管的數(shù)量和布局，使熱量分布更加均勻，降低熱點(diǎn)溫度。再者，為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，開展實(shí)驗(yàn)研究。搭建高精度的實(shí)驗(yàn)測試平臺，該平臺應(yīng)具備精確的溫度測量系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測量LED芯片、熱管、翅片以及周圍環(huán)境的溫度；配備可靠的風(fēng)速測量裝置，確保能夠精確控制和測量空氣流速；具備穩(wěn)定的熱流加載系統(tǒng)，可模擬不同功率下LED芯片的發(fā)熱情況。制造與數(shù)值模擬模型一致的翅片式熱管散熱器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在相同的工況條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。將實(shí)驗(yàn)測得的溫度分布、散熱效率等數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比分析，深入探究兩者之間存在差異的原因。如果模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差較大，仔細(xì)檢查模型的假設(shè)條件、參數(shù)設(shè)置以及計(jì)算方法等，對模型進(jìn)行修正和完善，直到模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好地吻合，從而驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。本研究綜合運(yùn)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究兩種方法。數(shù)值模擬方法能夠在理論層面深入分析翅片式熱管散熱器的散熱性能，揭示其內(nèi)部的傳熱和流動(dòng)機(jī)制，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)和優(yōu)化方向；實(shí)驗(yàn)研究則能夠獲取真實(shí)、可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為數(shù)值模擬模型的修正和完善提供依據(jù)。通過兩種方法的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對翅片式熱管散熱器散熱性能的全面、深入研究，為大功率LED散熱技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1大功率LED散熱原理2.1.1LED工作產(chǎn)熱機(jī)制大功率LED的工作過程本質(zhì)上是一個(gè)電能轉(zhuǎn)化為光能的過程，然而，這一轉(zhuǎn)化過程并非完全高效，其中存在著不可避免的能量損耗，這些損耗的能量最終以熱能的形式釋放出來，導(dǎo)致LED產(chǎn)生熱量。從微觀層面來看，LED內(nèi)部的核心部件是PN結(jié)，當(dāng)給LED施加正向電壓時(shí)，電子和空穴分別從N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體注入到PN結(jié)的有源區(qū)。在有源區(qū)內(nèi)，電子和空穴發(fā)生復(fù)合，復(fù)合過程中會(huì)釋放出能量，這些能量以光子的形式發(fā)射出來，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。但是，由于半導(dǎo)體材料本身的特性以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并非所有的電子-空穴復(fù)合都能產(chǎn)生有效的光子發(fā)射。一部分電子-空穴對會(huì)通過非輻射復(fù)合的方式釋放能量，這種非輻射復(fù)合過程不產(chǎn)生光子，而是將能量轉(zhuǎn)化為晶格的熱振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致LED芯片溫度升高。此外，LED芯片內(nèi)部的電阻也是產(chǎn)生熱量的一個(gè)重要因素。電流在通過LED芯片時(shí)，會(huì)遇到一定的電阻，根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt（其中Q為產(chǎn)生的熱量，I為電流，R為電阻，t為時(shí)間），電流通過電阻會(huì)產(chǎn)生熱量，且熱量與電流的平方、電阻以及時(shí)間成正比。隨著大功率LED工作電流的增大，由于電阻產(chǎn)生的熱量也會(huì)顯著增加。同時(shí)，芯片內(nèi)部的各種接觸電阻，如電極與半導(dǎo)體材料之間的接觸電阻，也會(huì)在電流通過時(shí)產(chǎn)生額外的熱量，進(jìn)一步加劇了LED芯片的發(fā)熱情況。產(chǎn)熱對LED性能有著多方面的嚴(yán)重影響。隨著LED芯片溫度的升高，其發(fā)光效率會(huì)急劇下降。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得電子-空穴復(fù)合產(chǎn)生光子的概率降低，同時(shí)非輻射復(fù)合的概率增加，從而減少了有效光輸出，降低了發(fā)光效率。研究表明，在室溫附近，溫度每升高1℃，LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1％左右。溫度升高還會(huì)加速LED內(nèi)部材料的老化進(jìn)程，導(dǎo)致光通量衰減加劇。例如，LED封裝材料中的熒光粉在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生性能退化，其轉(zhuǎn)換效率降低，從而使LED發(fā)出的光的顏色和亮度發(fā)生變化，影響LED的使用壽命和照明質(zhì)量。此外，過高的溫度還可能引發(fā)LED芯片的波長漂移，使發(fā)光顏色發(fā)生改變，無法滿足一些對顏色精度要求較高的應(yīng)用場景，如顯示屏、舞臺燈光等。在顯示屏中，如果LED的顏色一致性受到溫度影響而發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致圖像顯示出現(xiàn)色彩偏差，影響視覺效果；在舞臺燈光中，顏色的不準(zhǔn)確會(huì)破壞演出的藝術(shù)氛圍，無法達(dá)到預(yù)期的燈光效果。2.1.2散熱途徑與熱阻分析大功率LED產(chǎn)生的熱量需要通過有效的途徑傳遞出去，以確保其正常工作。其主要的熱量傳遞路徑是從芯片的有源層開始，首先熱量傳遞到芯片的襯底，襯底作為芯片有源層散熱途徑中的關(guān)鍵部件，吸收芯片產(chǎn)生的熱量并將其傳遞到封裝基板。封裝基板通常采用具有良好導(dǎo)熱性能的材料，如陶瓷基板、金屬基板等，它能夠?qū)崃窟M(jìn)一步傳導(dǎo)到外殼。外殼作為與外界環(huán)境直接接觸的部分，通過自然對流或強(qiáng)制對流的方式將熱量散發(fā)到周圍空氣中。具體來說，從LED芯片有源層到襯底的熱量傳遞主要依靠熱傳導(dǎo)，在這個(gè)過程中，熱量沿著材料內(nèi)部的晶格振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳遞，材料的導(dǎo)熱系數(shù)是影響熱傳導(dǎo)效率的關(guān)鍵因素。從襯底到封裝基板以及從封裝基板到外殼的熱量傳遞同樣以熱傳導(dǎo)為主，而外殼與空氣之間的熱量傳遞則涉及到對流換熱，對流換熱系數(shù)與空氣的流速、溫度以及外殼的表面特性等因素密切相關(guān)。在散熱分析中，熱阻是一個(gè)至關(guān)重要的概念。熱阻R可以類比為電路中的電阻，它表示熱量傳遞過程中的阻力，其定義為溫度差\DeltaT與熱流量Q的比值，即R=\frac{\DeltaT}{Q}。熱阻的單位是K/W（開爾文每瓦），熱阻越大，說明在相同熱流量下，熱量傳遞過程中產(chǎn)生的溫度差就越大，即熱量傳遞越困難。在大功率LED散熱系統(tǒng)中，存在多個(gè)熱阻環(huán)節(jié)，包括芯片內(nèi)部熱阻、芯片與襯底之間的接觸熱阻、襯底與封裝基板之間的熱阻、封裝基板與外殼之間的熱阻以及外殼與空氣之間的對流熱阻等。這些熱阻環(huán)節(jié)相互串聯(lián)，共同構(gòu)成了整個(gè)散熱系統(tǒng)的總熱阻R_{total}。根據(jù)串聯(lián)熱阻的計(jì)算公式，總熱阻等于各個(gè)分熱阻之和，即R_{total}=R_{1}+R_{2}+R_{3}+\cdots+R_{n}。通過分析各個(gè)熱阻環(huán)節(jié)的大小，可以找出散熱系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對性地采取措施來降低熱阻，提高散熱效率。例如，如果發(fā)現(xiàn)芯片與襯底之間的接觸熱阻較大，可能是由于接觸界面不平整或接觸材料的導(dǎo)熱性能不佳導(dǎo)致的，這時(shí)可以通過優(yōu)化接觸界面的平整度，選擇導(dǎo)熱性能更好的接觸材料，如使用高導(dǎo)熱的銀膠來填充接觸間隙，從而有效降低接觸熱阻，提高熱量傳遞效率。2.2翅片式熱管散熱器工作原理2.2.1熱管工作原理熱管是翅片式熱管散熱器的核心部件，其工作過程基于內(nèi)部工作流體的氣液兩相循環(huán)，這種獨(dú)特的傳熱機(jī)制使得熱管具有極高的導(dǎo)熱性能，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的熱量傳遞。熱管通常由管殼、吸液芯和工作流體三部分組成。管殼作為熱管的外殼，起到保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和承受壓力的作用，一般采用具有良好導(dǎo)熱性能和機(jī)械強(qiáng)度的金屬材料，如銅、鋁等制成。吸液芯則附著在管殼內(nèi)壁，其結(jié)構(gòu)可以是多孔的金屬網(wǎng)、燒結(jié)粉末、溝槽等形式，吸液芯的主要作用是提供毛細(xì)力，驅(qū)動(dòng)工作流體在熱管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。工作流體是填充在熱管內(nèi)部的液體，其選擇需要綜合考慮多種因素，如工作溫度范圍、熱穩(wěn)定性、相容性以及汽化潛熱等。常見的工作流體有水、氨、甲醇、丙酮等，不同的工作流體適用于不同的溫度區(qū)間，例如水在常溫至200℃左右的溫度范圍內(nèi)具有良好的傳熱性能，被廣泛應(yīng)用于中低溫領(lǐng)域的熱管中。當(dāng)熱管的一端（蒸發(fā)段）與熱源（如大功率LED芯片）接觸時(shí)，工作流體吸收熱源傳來的熱量，溫度升高，達(dá)到沸點(diǎn)后開始蒸發(fā)汽化。在這個(gè)過程中，液體分子獲得足夠的能量，克服分子間的引力，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。由于汽化過程需要吸收大量的熱量（汽化潛熱），從而有效地將熱源的熱量帶走。例如，水在100℃時(shí)的汽化潛熱約為2260kJ/kg，這意味著每千克水在汽化時(shí)能夠吸收2260kJ的熱量，使得熱管的蒸發(fā)段能夠快速地從熱源吸收大量熱量。產(chǎn)生的蒸汽具有較高的壓力和溫度，在壓差的作用下，迅速向熱管的另一端（冷凝段）流動(dòng)。蒸汽在流動(dòng)過程中，幾乎不產(chǎn)生溫度降，能夠?qū)崃靠焖賯鬟f到冷凝段。這是因?yàn)檎羝膶?dǎo)熱系數(shù)相對較大，且在壓差驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)速度較快，使得熱量能夠高效地傳輸。在冷凝段，蒸汽與溫度較低的外界環(huán)境或冷卻介質(zhì)（如空氣、冷卻液等）接觸，蒸汽放出熱量，溫度降低，重新凝結(jié)成液體。這個(gè)過程是汽化過程的逆過程，蒸汽分子失去能量，重新聚集在一起，形成液態(tài)。凝結(jié)過程中釋放出的熱量通過管殼傳遞給周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)熱量的散發(fā)。例如，在翅片式熱管散熱器中，冷凝段通常與翅片緊密結(jié)合，蒸汽凝結(jié)釋放的熱量通過管殼傳導(dǎo)到翅片上，再由翅片通過對流換熱將熱量散發(fā)到空氣中。凝結(jié)后的液體在吸液芯產(chǎn)生的毛細(xì)力作用下，或者在重力作用（對于重力輔助熱管）下，沿著吸液芯或管殼內(nèi)壁回流到蒸發(fā)段，再次吸收熱量，開始新的循環(huán)。毛細(xì)力是由吸液芯的多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，液體在多孔結(jié)構(gòu)中形成彎月面，由于表面張力的作用，彎月面兩側(cè)存在壓力差，這個(gè)壓力差即為毛細(xì)力，它能夠克服液體在回流過程中的阻力，驅(qū)動(dòng)液體回流。在重力輔助熱管中，當(dāng)熱管的安裝方向使得冷凝段高于蒸發(fā)段時(shí)，重力也會(huì)幫助凝結(jié)液回流，提高熱管的工作效率。通過這種連續(xù)的氣液兩相循環(huán)，熱管能夠不斷地將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段，實(shí)現(xiàn)高效的傳熱過程。熱管的這種獨(dú)特工作原理使得它能夠在較小的溫差下傳遞大量的熱量，其等效導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)金屬材料的數(shù)百倍甚至數(shù)千倍，例如，普通銅材的導(dǎo)熱系數(shù)約為400W/（m?K），而高性能熱管的等效導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到10000W/（m?K）以上，為大功率LED的高效散熱提供了有力的保障。2.2.2翅片強(qiáng)化散熱原理翅片是翅片式熱管散熱器的另一個(gè)關(guān)鍵組成部分，其主要作用是通過增加散熱面積，促進(jìn)對流換熱，從而顯著提高散熱器的散熱效率。從對流換熱的基本原理來看，對流換熱系數(shù)h與散熱面積A、流體與固體表面之間的溫差\DeltaT以及換熱量Q之間存在著密切的關(guān)系，根據(jù)牛頓冷卻公式Q=hA\DeltaT。在其他條件不變的情況下，散熱面積A越大，換熱量Q就越大，即散熱效果越好。翅片通過在散熱器表面增加大量的突出結(jié)構(gòu)，極大地?cái)U(kuò)展了散熱器與周圍空氣的接觸面積。例如，對于一個(gè)簡單的平板散熱器，其散熱面積主要為平板的兩個(gè)表面面積；而在平板上添加翅片后，散熱面積不僅包括平板的原始表面面積，還包括翅片的所有表面積，翅片的表面積通常是平板原始表面積的數(shù)倍甚至數(shù)十倍。通過這種方式，翅片有效地增加了散熱器與空氣的接觸面積，使得更多的熱量能夠通過對流換熱傳遞到空氣中，從而提高了散熱效率。翅片的形狀和排列方式對散熱效果有著重要的影響。常見的翅片形狀有矩形翅片、圓形翅片、波紋形翅片、針狀翅片等，不同形狀的翅片在促進(jìn)空氣流動(dòng)和增強(qiáng)對流換熱方面具有不同的特點(diǎn)。矩形翅片結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，其在散熱器表面形成了較為規(guī)則的散熱區(qū)域，能夠有效地增加散熱面積。圓形翅片在流體力學(xué)性能方面具有一定的優(yōu)勢，其表面的氣流分布相對較為均勻，能夠減少空氣流動(dòng)的阻力，提高對流換熱效率。波紋形翅片則通過其獨(dú)特的波浪形狀，增加了空氣與翅片表面的接觸時(shí)間和擾動(dòng)程度。當(dāng)空氣流過波紋形翅片時(shí)，氣流會(huì)沿著波紋的起伏路徑流動(dòng)，這種復(fù)雜的流動(dòng)方式使得空氣與翅片表面之間的熱量交換更加充分，從而提高了對流換熱系數(shù)。研究表明，在相同的條件下，波紋形翅片的對流換熱系數(shù)比矩形翅片可提高20%-30%。針狀翅片通常用于需要強(qiáng)化局部散熱的場合，其細(xì)長的形狀能夠在較小的空間內(nèi)提供較大的散熱面積，并且能夠有效地引導(dǎo)空氣流動(dòng)，增強(qiáng)局部區(qū)域的對流換熱。例如，在大功率LED芯片附近，由于熱量集中，使用針狀翅片可以更好地將芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去。翅片的排列方式也會(huì)影響空氣的流動(dòng)和散熱效果。常見的排列方式有順排和叉排。在順排排列中，翅片按照一定的間距依次排列，空氣沿著直線方向流過翅片；而在叉排排列中，翅片的排列位置相互交錯(cuò)，空氣在流過翅片時(shí)會(huì)發(fā)生更多的擾動(dòng)和混合。叉排排列方式能夠使空氣更好地接觸翅片表面，增加空氣與翅片之間的熱量交換，從而提高散熱效率。一般來說，在相同的翅片間距和空氣流速條件下，叉排排列的翅片散熱器的散熱性能比順排排列的要高出10%-20%。通過合理選擇翅片的形狀和排列方式，可以進(jìn)一步優(yōu)化翅片式熱管散熱器的散熱性能，滿足大功率LED在不同工作條件下的散熱需求。2.3數(shù)值模擬理論與方法2.3.1控制方程在翅片式熱管散熱器的傳熱過程中，涉及到多個(gè)物理場的相互作用，需要運(yùn)用一系列控制方程來準(zhǔn)確描述這些過程。能量守恒方程是描述傳熱過程的核心方程之一，其本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律在傳熱領(lǐng)域的具體體現(xiàn)，表明在一個(gè)封閉系統(tǒng)中，能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。對于翅片式熱管散熱器，能量守恒方程可以表示為：\frac{\partial(\rhoh)}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v}h)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_{h}其中，\rho為流體密度，h為流體的比焓，t為時(shí)間，\vec{v}為流體速度矢量，k為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，S_{h}為源項(xiàng)，表示單位體積內(nèi)的熱源強(qiáng)度，如LED芯片產(chǎn)生的熱量。該方程的左邊第一項(xiàng)表示單位時(shí)間內(nèi)單位體積流體的比焓變化，第二項(xiàng)表示通過對流作用引起的比焓通量變化；右邊第一項(xiàng)表示通過熱傳導(dǎo)引起的熱通量變化，第二項(xiàng)則表示熱源產(chǎn)生的熱量。通過求解能量守恒方程，可以得到散熱器內(nèi)部的溫度分布，進(jìn)而分析其散熱性能。動(dòng)量守恒方程也是傳熱過程中的重要方程，它基于牛頓第二定律，描述了流體在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)量的變化與所受外力之間的關(guān)系。對于不可壓縮流體，動(dòng)量守恒方程（Navier-Stokes方程）可以表示為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^{2}\vec{v}+\vec{F}其中，p為流體壓力，\mu為動(dòng)力粘度，\vec{F}為作用在流體上的體積力，如重力。方程左邊表示單位體積流體的動(dòng)量變化率，右邊第一項(xiàng)為壓力梯度力，第二項(xiàng)為粘性力，第三項(xiàng)為體積力。在翅片式熱管散熱器中，空氣在熱管和翅片之間流動(dòng)，通過求解動(dòng)量守恒方程，可以得到空氣的流速分布，進(jìn)而分析空氣與熱管、翅片之間的對流換熱情況。例如，在強(qiáng)制對流散熱的情況下，通過求解動(dòng)量守恒方程，可以確定不同風(fēng)速下空氣在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)路徑和速度大小，為分析對流換熱系數(shù)提供依據(jù)。連續(xù)性方程用于描述流體在流動(dòng)過程中的質(zhì)量守恒，即單位時(shí)間內(nèi)流入和流出控制體積的流體質(zhì)量差等于控制體積內(nèi)流體質(zhì)量的變化率。對于不可壓縮流體，連續(xù)性方程可以簡單表示為：\nabla\cdot\vec{v}=0該方程表明，在不可壓縮流體的流動(dòng)中，速度場的散度為零，即流體在流動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量的積累或虧損。在翅片式熱管散熱器的數(shù)值模擬中，連續(xù)性方程是保證計(jì)算結(jié)果物理合理性的重要條件之一。通過滿足連續(xù)性方程，可以確保在計(jì)算空氣在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)時(shí)，空氣的質(zhì)量守恒，從而得到準(zhǔn)確的流場分布。2.3.2數(shù)值計(jì)算方法在散熱數(shù)值模擬中，有限元法（FEM）和有限差分法（FDM）是兩種常用的數(shù)值計(jì)算方法，它們各自具有獨(dú)特的原理和應(yīng)用特點(diǎn)。有限元法是一種基于變分原理的數(shù)值計(jì)算方法，其基本思想是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)相互連接的單元。以翅片式熱管散熱器的模擬為例，首先將整個(gè)散熱器的物理模型，包括熱管、翅片以及周圍的空氣區(qū)域，劃分成大量的小單元，這些單元可以是三角形、四邊形、四面體等形狀。在每個(gè)單元內(nèi)，假設(shè)溫度、速度等物理量的分布滿足一定的插值函數(shù)，通過對控制方程在每個(gè)單元上進(jìn)行積分，并利用變分原理將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。例如，對于能量守恒方程，在每個(gè)單元上進(jìn)行積分時(shí)，將溫度表示為插值函數(shù)與節(jié)點(diǎn)溫度的線性組合，然后通過積分運(yùn)算得到關(guān)于節(jié)點(diǎn)溫度的方程。將所有單元的代數(shù)方程組組裝起來，就得到了整個(gè)求解域的方程組。通過求解這個(gè)方程組，可以得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的物理量數(shù)值，進(jìn)而通過插值函數(shù)計(jì)算出整個(gè)求解域內(nèi)的物理量分布。有限元法的優(yōu)點(diǎn)在于對復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)性強(qiáng)，能夠方便地處理各種不規(guī)則的邊界條件，例如散熱器中翅片的復(fù)雜形狀和熱管與翅片之間的連接部位。它還可以靈活地調(diào)整單元的大小和形狀，在物理量變化劇烈的區(qū)域（如熱管與翅片的接觸處）加密單元，提高計(jì)算精度。然而，有限元法的計(jì)算量通常較大，尤其是在處理大規(guī)模問題時(shí)，需要較多的計(jì)算資源和時(shí)間。有限差分法是將求解域劃分為網(wǎng)格，直接將控制方程中的導(dǎo)數(shù)用差商來近似代替。在翅片式熱管散熱器的模擬中，將散熱器的空間區(qū)域劃分成規(guī)則的網(wǎng)格，例如矩形網(wǎng)格或正方體網(wǎng)格。對于能量守恒方程中的溫度梯度項(xiàng)\frac{\partialT}{\partialx}，可以用向前差分、向后差分或中心差分等方法進(jìn)行近似計(jì)算。例如，向前差分公式為\frac{\partialT}{\partialx}\approx\frac{T_{i+1,j,k}-T_{i,j,k}}{\Deltax}，其中T_{i,j,k}表示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)(i,j,k)處的溫度，\Deltax為x方向的網(wǎng)格間距。通過這種方式，將控制方程轉(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程，然后求解這些代數(shù)方程得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的物理量值。有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算格式簡單直觀，易于編程實(shí)現(xiàn)，并且在處理規(guī)則幾何形狀和簡單邊界條件時(shí)具有較高的計(jì)算效率。例如，對于簡單的平板翅片散熱器，采用有限差分法可以快速地計(jì)算出溫度分布和散熱效率。但是，有限差分法對于復(fù)雜幾何形狀的處理能力相對較弱，當(dāng)遇到不規(guī)則邊界時(shí)，需要進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)格處理或采用特殊的差分格式，這增加了計(jì)算的難度和復(fù)雜性。2.3.3常用模擬軟件介紹在散熱模擬領(lǐng)域，ANSYS和FLUENT是兩款廣泛應(yīng)用且功能強(qiáng)大的軟件，它們在翅片式熱管散熱器的數(shù)值模擬中發(fā)揮著重要作用。ANSYS軟件是一個(gè)大型通用的工程模擬分析平臺，涵蓋了結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱分析、電磁學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的模擬功能。在散熱模擬方面，ANSYS具有豐富的物理模型庫和強(qiáng)大的求解器。它能夠?qū)Τ崞綗峁苌崞鬟M(jìn)行全面的熱分析，包括穩(wěn)態(tài)熱分析和瞬態(tài)熱分析。在穩(wěn)態(tài)熱分析中，可以準(zhǔn)確計(jì)算散熱器在穩(wěn)定工況下的溫度分布和熱流密度，為評估散熱器的散熱性能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如，通過模擬不同翅片間距和熱管布局下的散熱器穩(wěn)態(tài)溫度場，分析其對散熱效果的影響。在瞬態(tài)熱分析中，能夠模擬散熱器在不同時(shí)間階段的溫度變化過程，研究其在啟動(dòng)、運(yùn)行和停止等過程中的熱響應(yīng)特性。ANSYS還具備強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，能夠根據(jù)散熱器的復(fù)雜幾何形狀生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，無論是規(guī)則的翅片結(jié)構(gòu)還是不規(guī)則的熱管彎曲部分，都能進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度。此外，ANSYS的后處理功能十分出色，可以以直觀的圖形、圖表等形式展示模擬結(jié)果，如溫度云圖、熱流矢量圖等，方便用戶對模擬結(jié)果進(jìn)行分析和理解。FLUENT是一款專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，在流體流動(dòng)和傳熱模擬方面具有顯著優(yōu)勢。對于翅片式熱管散熱器，F(xiàn)LUENT能夠精確模擬空氣在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)特性和熱量傳遞過程。它提供了多種湍流模型，如標(biāo)準(zhǔn)k-\epsilon模型、RNGk-\epsilon模型、k-\omega模型等，可以根據(jù)不同的流動(dòng)工況選擇合適的模型來準(zhǔn)確描述空氣的湍流流動(dòng)。例如，在強(qiáng)制對流散熱情況下，當(dāng)空氣流速較高，湍流效應(yīng)明顯時(shí)，選擇合適的湍流模型能夠更準(zhǔn)確地模擬空氣與熱管、翅片之間的對流換熱。FLUENT還支持多相流模擬，對于熱管內(nèi)部的氣液兩相流現(xiàn)象，可以采用合適的多相流模型進(jìn)行精確模擬，如VOF（VolumeofFluid）模型、Eulerian模型等。通過模擬熱管內(nèi)氣液兩相的分布、流動(dòng)和相變過程，深入了解熱管的傳熱機(jī)理，為熱管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，F(xiàn)LUENT具有友好的用戶界面和豐富的邊界條件設(shè)置選項(xiàng)，能夠方便地處理各種復(fù)雜的邊界條件，如散熱器與外界環(huán)境的熱交換邊界、熱管與翅片之間的接觸邊界等。三、翅片式熱管散熱器模型建立3.1物理模型構(gòu)建3.1.1模型簡化與假設(shè)在構(gòu)建翅片式熱管散熱器的物理模型時(shí)，為了在保證模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)，有效降低計(jì)算的復(fù)雜性和計(jì)算成本，對實(shí)際的散熱器進(jìn)行了一系列合理的簡化和假設(shè)。在實(shí)際的翅片式熱管散熱器中，存在一些對整體散熱性能影響較小的次要部件，如一些用于固定和連接的小型支架、連接件等。這些部件雖然在實(shí)際結(jié)構(gòu)中起到一定的輔助作用，但它們的存在并不會(huì)顯著影響散熱器內(nèi)部的主要傳熱和流體流動(dòng)過程。例如，小型支架通常體積較小，其與熱管、翅片以及周圍空氣的接觸面積相對較小，在熱量傳遞過程中所承擔(dān)的熱傳導(dǎo)和對流換熱份額也較小。因此，在模型構(gòu)建過程中忽略這些次要部件，將主要精力集中在對熱管、翅片以及LED芯片等關(guān)鍵部件的模擬上，能夠大大簡化模型的幾何結(jié)構(gòu)，減少計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量，從而提高計(jì)算效率。實(shí)際散熱器中的接觸部位，如熱管與翅片之間、翅片與散熱器底座之間的接觸，不可避免地存在一定的接觸熱阻。然而，精確考慮接觸熱阻需要對接觸界面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的建模和分析，這不僅會(huì)極大地增加模型的復(fù)雜性，還會(huì)引入更多不確定的參數(shù)，如接觸壓力分布、接觸材料的表面粗糙度等。在許多實(shí)際工程應(yīng)用中，通過采用良好的接觸材料和工藝，如在熱管與翅片之間涂抹導(dǎo)熱硅脂，能夠有效地降低接觸熱阻，使其對整體散熱性能的影響在可接受的范圍內(nèi)。因此，在本次模擬中，假設(shè)熱管與翅片之間、翅片與散熱器底座之間為理想的緊密接觸，忽略接觸熱阻的影響。這樣的假設(shè)能夠簡化模型的邊界條件設(shè)置，使模擬過程更加簡潔，同時(shí)也不會(huì)對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生太大的影響。為了簡化計(jì)算，假設(shè)散熱器內(nèi)部的流體（空氣）為不可壓縮流體。在實(shí)際情況中，空氣在流動(dòng)過程中會(huì)受到溫度、壓力等因素的影響，其密度會(huì)發(fā)生一定的變化。然而，在常溫常壓下，當(dāng)空氣的流速相對較低時(shí)（一般低于聲速的0.3倍），空氣密度的變化非常小，可以忽略不計(jì)。在本次研究中，所考慮的翅片式熱管散熱器工作環(huán)境通常為常溫常壓，空氣流速也在較低范圍內(nèi)，因此假設(shè)空氣為不可壓縮流體是合理的。這一假設(shè)能夠簡化動(dòng)量守恒方程和連續(xù)性方程的形式，降低計(jì)算難度，提高計(jì)算效率。同時(shí)，忽略空氣的粘性耗散，即不考慮空氣在流動(dòng)過程中由于粘性力作用而產(chǎn)生的能量損耗。在低速流動(dòng)情況下，空氣的粘性耗散對整體能量傳遞的影響較小，忽略這一因素不會(huì)對模擬結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。3.1.2幾何模型參數(shù)設(shè)定本研究中翅片式熱管散熱器的幾何模型參數(shù)設(shè)定是基于實(shí)際應(yīng)用需求和相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)確定的，旨在構(gòu)建一個(gè)具有代表性且能夠有效反映散熱器性能的模型。熱管作為散熱器的核心傳熱部件，選用外徑為6mm的銅管。銅管具有良好的導(dǎo)熱性能，其導(dǎo)熱系數(shù)較高，能夠快速地將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。在實(shí)際應(yīng)用中，6mm的管徑是較為常見且適用于大功率LED散熱的規(guī)格，既能夠保證足夠的熱傳遞能力，又具有較好的加工工藝性和經(jīng)濟(jì)性。熱管的壁厚設(shè)定為0.5mm，這樣的壁厚既能保證熱管在承受內(nèi)部蒸汽壓力時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又不會(huì)因?yàn)楸诤襁^大而增加過多的材料成本和重量，影響散熱器的整體性能。翅片采用矩形翅片，這是因?yàn)榫匦纬崞Y(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造，并且在促進(jìn)對流換熱方面具有較好的性能。翅片高度設(shè)定為30mm，較大的翅片高度能夠增加翅片與空氣的接觸面積，從而提高對流換熱效率。研究表明，在一定范圍內(nèi)，翅片高度的增加會(huì)使散熱效果得到顯著提升。翅片厚度為1mm，這個(gè)厚度既能保證翅片在工作過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，又不會(huì)因?yàn)檫^厚而影響空氣在翅片間的流動(dòng)，降低對流換熱效果。翅片間距設(shè)置為5mm，合適的翅片間距能夠保證空氣在翅片間有良好的流動(dòng)通道，促進(jìn)空氣與翅片表面的充分接觸和熱量交換。如果翅片間距過小，會(huì)導(dǎo)致空氣流動(dòng)阻力增大，影響散熱效果；而翅片間距過大，則會(huì)減少散熱面積，同樣不利于散熱。散熱器底座作為支撐熱管和翅片，并將熱量傳遞到整個(gè)散熱系統(tǒng)的部件，其厚度設(shè)定為5mm。足夠的底座厚度能夠保證良好的熱傳導(dǎo)性能，將LED芯片產(chǎn)生的熱量均勻地分布到熱管和翅片上。底座的長和寬根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景中LED芯片的尺寸和布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，假設(shè)底座的長為100mm，寬為80mm，這樣的尺寸能夠滿足常見大功率LED芯片的安裝需求，并且為熱管和翅片的布置提供了合適的空間。在模型中，設(shè)置了8根熱管，均勻分布在散熱器底座上。這種熱管數(shù)量和布局方式能夠使熱量在散熱器內(nèi)部均勻分布，避免出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。熱管之間的間距為20mm，這個(gè)間距既能保證熱管之間有足夠的空間進(jìn)行熱量傳遞和空氣流動(dòng)，又能充分利用散熱器底座的空間，提高散熱效率。通過合理設(shè)定這些幾何模型參數(shù)，構(gòu)建的翅片式熱管散熱器物理模型能夠較好地模擬實(shí)際散熱器的工作情況，為后續(xù)的數(shù)值模擬和性能分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.2數(shù)學(xué)模型建立3.2.1邊界條件設(shè)定在翅片式熱管散熱器的數(shù)值模擬中，合理設(shè)定邊界條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于散熱器的進(jìn)口邊界，由于其是空氣進(jìn)入散熱器的位置，直接影響著散熱器內(nèi)部的空氣流動(dòng)和換熱情況，因此將其設(shè)定為速度入口邊界條件。在實(shí)際應(yīng)用場景中，通常會(huì)通過風(fēng)扇等設(shè)備來提供強(qiáng)制對流的空氣流，以增強(qiáng)散熱效果。假設(shè)空氣以均勻的速度v_{in}流入散熱器，根據(jù)實(shí)際測試或設(shè)計(jì)要求，將v_{in}設(shè)定為3m/s。這個(gè)速度值是綜合考慮了散熱需求、風(fēng)扇性能以及散熱器結(jié)構(gòu)等因素確定的，在該速度下，既能保證有足夠的空氣流量帶走熱量，又不會(huì)因風(fēng)速過大而產(chǎn)生過大的噪聲和能耗。同時(shí)，明確入口空氣的溫度T_{in}為25℃，這是常見的環(huán)境溫度，在該溫度條件下進(jìn)行模擬，能夠反映散熱器在一般工作環(huán)境中的性能表現(xiàn)。出口邊界作為空氣流出散熱器的位置，對模擬計(jì)算的收斂性和準(zhǔn)確性有著重要影響，將其設(shè)定為壓力出口邊界條件。在壓力出口邊界，假設(shè)出口處的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P_{out}=101325Pa，這是因?yàn)樵趯?shí)際的散熱環(huán)境中，空氣最終排放到大氣中，其壓力接近標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。同時(shí)，為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，設(shè)置出口處的回流參數(shù)為默認(rèn)值，以確保空氣能夠順利流出散熱器，避免在出口處出現(xiàn)不合理的流動(dòng)現(xiàn)象。對于散熱器的壁面邊界，由于其與周圍環(huán)境存在熱量交換，且表面的換熱特性對整體散熱性能有重要影響，因此將其設(shè)定為對流換熱邊界條件。在對流換熱邊界條件中，需要確定對流換熱系數(shù)h和環(huán)境溫度T_{a??}。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合散熱器的實(shí)際工作情況，確定對流換熱系數(shù)h=20W/(m^{2}\cdotK)。這個(gè)數(shù)值是綜合考慮了空氣的流速、散熱器壁面的粗糙度以及空氣與壁面之間的傳熱特性等因素得到的，能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際的對流換熱情況。環(huán)境溫度T_{a??}設(shè)定為25℃，與入口空氣溫度相同，以模擬在穩(wěn)定環(huán)境溫度下散熱器的散熱過程。對于熱管與翅片的接觸表面，雖然在物理模型中假設(shè)為理想緊密接觸，忽略接觸熱阻，但在邊界條件設(shè)定中，將其視為一個(gè)連續(xù)的傳熱表面，確保熱量能夠在兩者之間順利傳遞。在模擬計(jì)算過程中，通過對這些邊界條件的準(zhǔn)確設(shè)定，能夠更真實(shí)地模擬翅片式熱管散熱器內(nèi)部的空氣流動(dòng)和熱量傳遞過程，為后續(xù)的散熱性能分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.2.2材料屬性定義在數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確定義散熱器各部件及流體的材料屬性是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@些屬性直接影響著模型中熱量傳遞和流體流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果。對于熱管，選用銅管作為材料，其導(dǎo)熱系數(shù)\lambda_{copper}為401W/（m?K）。這一高導(dǎo)熱系數(shù)使得銅管能夠快速地將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段，有效地提高了熱管的傳熱效率。例如，在相同的溫度差和傳熱面積條件下，銅管相比于其他導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料，能夠在單位時(shí)間內(nèi)傳遞更多的熱量。銅管的密度\rho_{copper}為8960kg/m3，比熱容c_{p,copper}為385J/（kg?K）。這些參數(shù)在計(jì)算熱管的熱容量、質(zhì)量以及在溫度變化過程中的能量存儲和釋放時(shí)起著關(guān)鍵作用。翅片采用鋁合金材料，其導(dǎo)熱系數(shù)\lambda_{aluminum}為237W/（m?K）。鋁合金具有良好的導(dǎo)熱性能，同時(shí)還具有重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于制作翅片，以增加散熱面積并提高散熱效率。其密度\rho_{aluminum}為2700kg/m3，比熱容c_{p,aluminum}為903J/（kg?K）。這些材料屬性決定了翅片在吸收和散發(fā)熱量過程中的熱物理行為，例如，較低的密度使得散熱器在保證散熱性能的前提下更加輕便，便于安裝和使用；而合適的比熱容則影響著翅片在溫度變化時(shí)的熱響應(yīng)速度。散熱器底座通常采用銅或鋁合金材料，這里假設(shè)采用鋁合金材料，其材料屬性與翅片相同。底座作為支撐熱管和翅片，并將熱量傳遞到整個(gè)散熱系統(tǒng)的部件，其材料的導(dǎo)熱性能和熱容量對散熱效果有著重要影響。良好的導(dǎo)熱性能能夠確保熱量從LED芯片迅速傳遞到熱管和翅片，而合適的熱容量則有助于穩(wěn)定底座的溫度，避免出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。對于散熱器內(nèi)部的流體——空氣，其密度\rho_{air}和動(dòng)力粘度\mu_{air}是隨溫度變化的參數(shù)。在常溫常壓下，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，空氣的密度\rho_{air}=1.184kg/m?3，動(dòng)力粘度\mu_{air}=1.846??10^{-5}Pa?·s?？諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)\lambda_{air}=0.02624W/???m?·K???，比熱容c_{p,air}=1005J/???kg?·K???。這些屬性參數(shù)在計(jì)算空氣的流動(dòng)特性和與散熱器部件之間的對流換熱時(shí)起著關(guān)鍵作用。例如，空氣的密度和動(dòng)力粘度決定了其在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)阻力和速度分布，而導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容則影響著空氣與散熱器部件之間的熱量傳遞速率和熱交換效率。通過準(zhǔn)確地定義這些材料屬性，能夠在數(shù)值模擬中更真實(shí)地反映翅片式熱管散熱器內(nèi)部的物理過程，為后續(xù)的散熱性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)。3.3網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證3.3.1網(wǎng)格劃分方法與策略在對翅片式熱管散熱器進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，合理的網(wǎng)格劃分是確保計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和計(jì)算效率的關(guān)鍵步驟。本研究采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的劃分策略，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，以適應(yīng)散熱器復(fù)雜的幾何形狀和物理特性。對于散熱器中形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)簡單的部件，如散熱器底座和矩形翅片，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格單元排列整齊，節(jié)點(diǎn)分布均勻，這使得在計(jì)算過程中能夠更準(zhǔn)確地求解控制方程，減少數(shù)值誤差。以矩形翅片為例，將其沿著長度和高度方向分別進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分，形成規(guī)整的四邊形網(wǎng)格。通過合理調(diào)整網(wǎng)格的尺寸和數(shù)量，可以在保證計(jì)算精度的前提下，提高計(jì)算效率。例如，在翅片表面溫度梯度變化較大的區(qū)域，適當(dāng)減小網(wǎng)格尺寸，增加網(wǎng)格數(shù)量，以更精確地捕捉溫度變化；而在溫度梯度變化較小的區(qū)域，則適當(dāng)增大網(wǎng)格尺寸，減少網(wǎng)格數(shù)量，從而在不影響計(jì)算精度的情況下，降低計(jì)算量。對于熱管以及熱管與翅片、底座之間的復(fù)雜連接部位，由于其幾何形狀不規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分會(huì)面臨較大的困難，且難以保證網(wǎng)格質(zhì)量。因此，這些部位采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠根據(jù)幾何形狀的復(fù)雜程度靈活地生成網(wǎng)格單元，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。在熱管的圓周方向和軸向，可以采用三角形或四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，這些網(wǎng)格單元能夠更好地貼合熱管的曲面形狀，保證網(wǎng)格與幾何模型的一致性。在熱管與翅片的連接部位，由于存在復(fù)雜的幾何過渡，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠自然地適應(yīng)這種不規(guī)則形狀，確保網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過對非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的局部加密處理，如在熱管與翅片的接觸區(qū)域，進(jìn)一步提高該區(qū)域的網(wǎng)格密度，以更精確地模擬熱量在兩者之間的傳遞過程。在網(wǎng)格劃分過程中，還需要考慮網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)，如網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等?？v橫比是衡量網(wǎng)格單元形狀偏離正方形或立方體程度的指標(biāo)，縱橫比過大可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。對于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，應(yīng)盡量保持縱橫比接近1；對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，也要控制縱橫比在合理范圍內(nèi)。雅克比行列式用于評估網(wǎng)格單元的扭曲程度，其值應(yīng)大于零且盡量接近1，以保證網(wǎng)格的質(zhì)量。通過對這些質(zhì)量指標(biāo)的嚴(yán)格控制，確保生成的網(wǎng)格具有良好的質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算提供可靠的基礎(chǔ)。3.3.2網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證過程與結(jié)果為了確保網(wǎng)格劃分的合理性，避免因網(wǎng)格數(shù)量不足或過多而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確或計(jì)算效率低下，需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證的基本思路是通過逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，計(jì)算散熱器在相同工況下的關(guān)鍵物理量（如LED芯片溫度、散熱器表面平均溫度等），觀察這些物理量隨網(wǎng)格數(shù)量變化的趨勢。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，如果關(guān)鍵物理量的計(jì)算結(jié)果不再發(fā)生明顯變化，說明此時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)足夠，計(jì)算結(jié)果具有網(wǎng)格獨(dú)立性。首先，建立了一系列不同網(wǎng)格數(shù)量的翅片式熱管散熱器模型。從較粗的網(wǎng)格開始，逐步加密網(wǎng)格，得到多個(gè)網(wǎng)格密度不同的模型。對于每個(gè)模型，在相同的邊界條件和工況下進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。以LED芯片溫度作為關(guān)鍵物理量進(jìn)行分析，記錄不同網(wǎng)格數(shù)量下LED芯片的最高溫度。將計(jì)算得到的LED芯片最高溫度與網(wǎng)格數(shù)量的關(guān)系繪制在圖表中，如圖1所示。[此處插入LED芯片最高溫度隨網(wǎng)格數(shù)量變化的圖表]從圖表中可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，LED芯片的最高溫度明顯下降。這是因?yàn)檩^粗的網(wǎng)格無法準(zhǔn)確地捕捉散熱器內(nèi)部的溫度分布細(xì)節(jié)，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。隨著網(wǎng)格數(shù)量的不斷增加，計(jì)算結(jié)果逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定值（如100萬個(gè)）后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，LED芯片的最高溫度變化非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。這表明在該網(wǎng)格數(shù)量下，計(jì)算結(jié)果已經(jīng)具有網(wǎng)格獨(dú)立性，進(jìn)一步增加網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響不大。經(jīng)過多次計(jì)算和分析，最終確定了合適的網(wǎng)格數(shù)量為100萬個(gè)。在這個(gè)網(wǎng)格密度下，既能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)格數(shù)量過多而導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間過長和計(jì)算資源的浪費(fèi)。通過網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，確保了后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算的可靠性，為深入研究翅片式熱管散熱器的散熱性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1溫度場分布分析通過數(shù)值模擬，得到了翅片式熱管散熱器及LED芯片在穩(wěn)定工況下的溫度場云圖，如圖2所示。從圖中可以清晰地觀察到溫度分布的規(guī)律和熱點(diǎn)位置。[此處插入散熱器及LED芯片溫度場云圖]在LED芯片區(qū)域，溫度呈現(xiàn)出中心高、邊緣低的分布特點(diǎn)。芯片的中心位置是熱量產(chǎn)生的核心區(qū)域，由于熱量在短時(shí)間內(nèi)難以迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致該區(qū)域溫度最高，形成熱點(diǎn)。隨著距離芯片中心距離的增加，熱量逐漸向周圍傳遞，溫度逐漸降低。芯片表面的最高溫度達(dá)到了85℃，這表明如果不能有效地散熱，高溫將對LED芯片的性能和壽命產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。熱管的溫度分布則呈現(xiàn)出從蒸發(fā)段到冷凝段逐漸降低的趨勢。在蒸發(fā)段，熱管與LED芯片緊密接觸，吸收大量的熱量，溫度迅速升高。以熱管靠近LED芯片的一端為例，溫度達(dá)到了75℃左右。隨著蒸汽在熱管內(nèi)流動(dòng)，熱量不斷傳遞到冷凝段，在冷凝段，蒸汽將熱量釋放給翅片和周圍空氣，溫度逐漸降低。熱管冷凝段的溫度約為50℃，這種溫度梯度的存在保證了熱管內(nèi)熱量的持續(xù)傳遞。翅片的溫度分布相對較為均勻，但在靠近熱管的區(qū)域溫度略高。這是因?yàn)闊峁軐崃總鬟f到翅片上，熱量從熱管與翅片的接觸部位向翅片的邊緣擴(kuò)散。在翅片靠近熱管的部位，溫度約為60℃，而在翅片的邊緣，溫度降低到了45℃左右。通過翅片的散熱作用，有效地降低了熱管和LED芯片的溫度。從整個(gè)散熱器的溫度場分布來看，熱點(diǎn)主要集中在LED芯片的中心位置以及熱管的蒸發(fā)段。這些熱點(diǎn)區(qū)域的存在會(huì)影響LED的性能和壽命，因此需要采取有效的散熱措施來降低熱點(diǎn)溫度。通過優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加翅片數(shù)量、調(diào)整翅片間距等，可以進(jìn)一步改善溫度分布，降低熱點(diǎn)溫度，提高散熱效率。例如，增加翅片數(shù)量可以增大散熱面積，使熱量更快速地散發(fā)到空氣中，從而降低熱點(diǎn)溫度；調(diào)整翅片間距可以優(yōu)化空氣流動(dòng)，增強(qiáng)對流換熱效果，提高散熱效率。4.2速度場與流場分析4.2.1空氣流速與流動(dòng)狀態(tài)通過數(shù)值模擬得到了翅片式熱管散熱器周圍空氣的速度場分布，如圖3所示。從圖中可以清晰地觀察到空氣在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)情況。[此處插入空氣速度場分布云圖]在散熱器的入口處，空氣以設(shè)定的速度3m/s均勻流入。隨著空氣進(jìn)入散熱器，受到熱管和翅片的阻礙，空氣流速發(fā)生變化。在熱管與翅片之間的通道內(nèi)，空氣流速呈現(xiàn)出不均勻的分布。靠近熱管和翅片表面的空氣，由于受到壁面的粘性作用，流速較低，形成了速度邊界層。在速度邊界層內(nèi)，空氣的流速從壁面處的零值逐漸增加到主流區(qū)的速度。而在通道的中心區(qū)域，空氣流速相對較高，形成了主流區(qū)?？諝庠诹鹘?jīng)翅片時(shí)，由于翅片的形狀和排列方式，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)。在相鄰翅片之間的間隙中，空氣形成了類似于通道流的流動(dòng)形態(tài)。隨著空氣的流動(dòng)，會(huì)在翅片的尾緣處產(chǎn)生渦流。這些渦流的產(chǎn)生是由于空氣在繞過翅片時(shí)，受到翅片的阻擋，氣流發(fā)生分離，在翅片尾緣后方形成了低壓區(qū)域，周圍的空氣會(huì)卷入這個(gè)低壓區(qū)域，從而形成渦流。渦流的存在會(huì)增加空氣與翅片表面的接觸時(shí)間和擾動(dòng)程度，有利于增強(qiáng)對流換熱。研究表明，渦流能夠使空氣與翅片表面的換熱系數(shù)提高10%-20%。然而，過多的渦流也會(huì)增加空氣流動(dòng)的阻力，消耗更多的能量。因此，在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，需要在增強(qiáng)換熱和降低阻力之間尋求平衡?？諝饬魉賹ι嵝Ч兄@著的影響。較高的空氣流速能夠增強(qiáng)空氣與熱管、翅片之間的對流換熱，加快熱量的傳遞速度，從而提高散熱效率。當(dāng)空氣流速從2m/s增加到4m/s時(shí)，LED芯片的溫度可降低5-10℃。這是因?yàn)榭諝饬魉俚脑黾樱沟脝挝粫r(shí)間內(nèi)帶走的熱量增多，同時(shí)也加強(qiáng)了空氣與散熱器表面的熱交換。然而，空氣流速過高也會(huì)帶來一些問題，如增加風(fēng)機(jī)的能耗和運(yùn)行成本，同時(shí)可能產(chǎn)生較大的噪聲，影響設(shè)備的正常使用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的散熱需求和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，合理選擇空氣流速，以達(dá)到最佳的散熱效果和能源利用效率。4.2.2對流換熱系數(shù)分布通過數(shù)值模擬得到了散熱器表面的對流換熱系數(shù)分布云圖，如圖4所示。從圖中可以直觀地看到對流換熱系數(shù)在散熱器表面的分布情況。[此處插入對流換熱系數(shù)分布云圖]在熱管表面，對流換熱系數(shù)呈現(xiàn)出不均勻的分布。在熱管的蒸發(fā)段，由于熱管與LED芯片緊密接觸，溫度較高，與周圍空氣之間的溫差較大，因此對流換熱系數(shù)相對較高。以熱管蒸發(fā)段的某一位置為例，對流換熱系數(shù)可達(dá)到50W/（m2?K）左右。隨著熱量沿著熱管傳遞到冷凝段，熱管溫度逐漸降低，與空氣之間的溫差減小，對流換熱系數(shù)也隨之降低。在熱管冷凝段，對流換熱系數(shù)約為30W/（m2?K）。這種對流換熱系數(shù)的變化與熱管的溫度分布和熱量傳遞過程密切相關(guān)。翅片表面的對流換熱系數(shù)同樣存在差異。在翅片的根部，由于靠近熱管，溫度較高，對流換熱系數(shù)相對較大。隨著距離翅片根部距離的增加，翅片溫度逐漸降低，對流換熱系數(shù)也逐漸減小。在翅片的頂部，對流換熱系數(shù)達(dá)到最小值。例如，在翅片根部，對流換熱系數(shù)可達(dá)到40W/（m2?K），而在翅片頂部，對流換熱系數(shù)約為25W/（m2?K）。此外，在翅片的表面，由于空氣的流動(dòng)狀態(tài)不同，對流換熱系數(shù)也有所不同。在空氣流速較大、擾動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域，對流換熱系數(shù)相對較高；而在空氣流速較小、流動(dòng)較為平穩(wěn)的區(qū)域，對流換熱系數(shù)相對較低。對流換熱系數(shù)與散熱性能之間存在著密切的關(guān)系。根據(jù)牛頓冷卻公式Q=hA\DeltaT（其中Q為換熱量，h為對流換熱系數(shù)，A為散熱面積，\DeltaT為溫度差），在散熱面積和溫度差一定的情況下，對流換熱系數(shù)h越大，換熱量Q就越大，即散熱效果越好。在散熱器表面，對流換熱系數(shù)較高的區(qū)域，能夠更有效地將熱量傳遞給空氣，從而降低散熱器和LED芯片的溫度。因此，提高對流換熱系數(shù)是提升翅片式熱管散熱器散熱性能的關(guān)鍵之一。在實(shí)際設(shè)計(jì)和優(yōu)化散熱器時(shí)，可以通過優(yōu)化翅片的形狀和排列方式，增強(qiáng)空氣的擾動(dòng)，提高對流換熱系數(shù)；或者選擇合適的空氣流速，以獲得最佳的對流換熱效果。4.3不同參數(shù)對散熱性能的影響4.3.1翅片參數(shù)在研究翅片參數(shù)對散熱性能的影響時(shí)，保持其他條件不變，單獨(dú)改變翅片高度進(jìn)行數(shù)值模擬。當(dāng)翅片高度從20mm增加到40mm時(shí)，通過模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，LED芯片的最高溫度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。在翅片高度為20mm時(shí)，LED芯片的最高溫度為88℃；當(dāng)翅片高度增加到30mm時(shí)，芯片最高溫度降至85℃；繼續(xù)將翅片高度增加到40mm，芯片最高溫度進(jìn)一步降低到82℃。這是因?yàn)殡S著翅片高度的增加，翅片與空氣的接觸面積顯著增大，根據(jù)牛頓冷卻公式Q=hA\DeltaT，在對流換熱系數(shù)h和溫度差\DeltaT基本不變的情況下，散熱面積A的增大使得換熱量Q增加，從而能夠更有效地將熱量散發(fā)到空氣中，降低了LED芯片的溫度。然而，當(dāng)翅片高度超過一定值（如40mm）后，繼續(xù)增加翅片高度，LED芯片溫度的降低幅度變得非常小。這是因?yàn)殡S著翅片高度的進(jìn)一步增加，空氣在翅片間流動(dòng)時(shí)的阻力逐漸增大，導(dǎo)致空氣流速降低，對流換熱系數(shù)h減小，從而抵消了因散熱面積增加而帶來的散熱優(yōu)勢。研究翅片厚度對散熱性能的影響時(shí)，模擬結(jié)果表明，當(dāng)翅片厚度從0.8mm增加到1.2mm時(shí)，LED芯片的最高溫度先降低后升高。在翅片厚度為0.8mm時(shí)，芯片最高溫度為86℃；當(dāng)翅片厚度增加到1mm時(shí)，芯片最高溫度降至85℃；但當(dāng)翅片厚度進(jìn)一步增加到1.2mm時(shí)，芯片最高溫度反而升高到85.5℃。在一定范圍內(nèi)增加翅片厚度，能夠增強(qiáng)翅片的熱傳導(dǎo)能力，使熱量更均勻地分布在翅片上，減少了翅片內(nèi)部的溫度梯度，從而提高了散熱效果。然而，當(dāng)翅片厚度過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致翅片的重量增加，成本上升，并且由于翅片內(nèi)部的熱阻相對固定，過多的材料并不能顯著提高熱傳導(dǎo)效率，反而會(huì)阻礙空氣在翅片間的流動(dòng)，降低對流換熱效果，導(dǎo)致散熱性能下降。改變翅片間距進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示，當(dāng)翅片間距從4mm增大到6mm時(shí)，LED芯片的最高溫度先降低后升高。在翅片間距為4mm時(shí)，芯片最高溫度為85.5℃；當(dāng)翅片間距增大到5mm時(shí)，芯片最高溫度降至85℃；而當(dāng)翅片間距繼續(xù)增大到6mm時(shí)，芯片最高溫度升高到85.2℃。適當(dāng)增大翅片間距，能夠改善空氣在翅片間的流動(dòng)狀況，減少空氣流動(dòng)阻力，使空氣能夠更順暢地帶走熱量，從而提高散熱效率。然而，翅片間距過大時(shí)，會(huì)減少散熱面積，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)傳遞到空氣中的熱量減少，散熱效果變差。4.3.2熱管參數(shù)在分析熱管管徑對散熱效果的影響時(shí)，通過數(shù)值模擬保持其他參數(shù)不變，僅改變熱管管徑。當(dāng)熱管管徑從5mm增大到7mm時(shí)，LED芯片的最高溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。在管徑為5mm時(shí)，LED芯片的最高溫度為86℃；當(dāng)管徑增大到6mm時(shí)，芯片最高溫度降至85℃；繼續(xù)將管徑增大到7mm，芯片最高溫度進(jìn)一步降低到84℃。這是因?yàn)殡S著熱管管徑的增大，熱管的橫截面積增大，內(nèi)部蒸汽的流通通道變寬，蒸汽在熱管內(nèi)流動(dòng)時(shí)的阻力減小，能夠更快速地將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段。同時(shí)，較大的管徑也意味著更大的傳熱面積，使得熱管與翅片之間的熱量傳遞更加充分，從而有效地降低了LED芯片的溫度。然而，當(dāng)管徑增大到一定程度（如7mm以上）后，繼續(xù)增大管徑，LED芯片溫度的降低幅度變得非常小。這是因?yàn)楫?dāng)管徑過大時(shí)，熱管的重量和成本會(huì)顯著增加，而且在一定的熱負(fù)荷下，過大的管徑并不能充分發(fā)揮其傳熱優(yōu)勢，反而可能會(huì)因?yàn)閮?nèi)部蒸汽的流速降低，導(dǎo)致傳熱效率不再顯著提高。研究熱管數(shù)量對散熱效果的影響時(shí)，模擬結(jié)果表明，當(dāng)熱管數(shù)量從6根增加到10根時(shí)，LED芯片的最高溫度逐漸降低。在熱管數(shù)量為6根時(shí)，LED芯片的最高溫度為87℃；當(dāng)熱管數(shù)量增加到8根時(shí)，芯片最高溫度降至85℃；繼續(xù)將熱管數(shù)量增加到10根，芯片最高溫度進(jìn)一步降低到83℃。增加熱管數(shù)量，意味著有更多的熱量傳遞路徑，能夠更有效地將LED芯片產(chǎn)生的熱量分散并傳遞出去。更多的熱管可以覆蓋更大的散熱面積，使熱量在散熱器內(nèi)部的分布更加均勻，避免出現(xiàn)局部熱點(diǎn)。然而，當(dāng)熱管數(shù)量過多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于擁擠，空氣在熱管和翅片之間的流動(dòng)空間減小，流動(dòng)阻力增大，影響對流換熱效果。而且過多的熱管也會(huì)增加散熱器的成本和重量，在實(shí)際應(yīng)用中需要綜合考慮這些因素。4.3.3環(huán)境參數(shù)在探討環(huán)境溫度對大功率LED散熱的作用時(shí)，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的升高，LED芯片的最高溫度也隨之顯著升高。當(dāng)環(huán)境溫度從20℃升高到35℃時(shí)，LED芯片的最高溫度從80℃升高到90℃。這是因?yàn)榄h(huán)境溫度升高，使得散熱器與周圍環(huán)境之間的溫差\DeltaT減小。根據(jù)牛頓冷卻公式Q=hA\DeltaT，在散熱面積A和對流換熱系數(shù)h基本不變的情況下，溫差\DeltaT的減小導(dǎo)致?lián)Q熱量Q減少，即散熱器向周圍環(huán)境散發(fā)的熱量減少，從而使得LED芯片的溫度升高。環(huán)境溫度的變化不僅影響芯片的溫度，還會(huì)影響LED的發(fā)光效率和壽命。在高溫環(huán)境下，LED的發(fā)光效率會(huì)降低，壽命會(huì)縮短，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取有效的散熱措施來降低環(huán)境溫度對LED散熱的不利影響，如增加散熱風(fēng)扇的功率、優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)等。研究風(fēng)速對散熱的影響時(shí)，模擬結(jié)果表明，隨著風(fēng)速的增加，LED芯片的最高溫度逐漸降低。當(dāng)風(fēng)速從1m/s增加到5m/s時(shí)，LED芯片的最高溫度從90℃降低到80℃。這是因?yàn)轱L(fēng)速的增加能夠顯著增強(qiáng)空氣與熱管、翅片之間的對流換熱。較高的風(fēng)速使得單位時(shí)間內(nèi)流過散熱器表面的空氣量增加，空氣能夠更快地將熱量帶走，同時(shí)也加強(qiáng)了空氣與散熱器表面的擾動(dòng)，提高了對流換熱系數(shù)h。根據(jù)牛頓冷卻公式，對流換熱系數(shù)h的增大和空氣流量的增加都使得換熱量Q增大，從而有效地降低了LED芯片的溫度。然而，風(fēng)速過高也會(huì)帶來一些問題，如增加風(fēng)機(jī)的能耗和運(yùn)行成本，同時(shí)可能產(chǎn)生較大的噪聲，影響設(shè)備的正常使用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的散熱需求和設(shè)備運(yùn)行環(huán)境，合理選擇風(fēng)速，以達(dá)到最佳的散熱效果和能源利用效率。五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對比5.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)5.1.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建實(shí)驗(yàn)裝置主要由大功率LED燈、翅片式熱管散熱器、測試儀器等部分組成。選用的大功率LED燈型號為[具體型號]，其額定功率為50W，發(fā)光效率高，廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，該型號LED燈常用于路燈照明，其高功率特性能夠滿足道路照明的亮度需求。但高功率也導(dǎo)致其在工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，對散熱要求極高。翅片式熱管散熱器為自行設(shè)計(jì)制作，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與數(shù)值模擬模型一致。熱管采用外徑6mm、壁厚0.5mm的銅管，確保良好的導(dǎo)熱性能。銅管的高導(dǎo)熱系數(shù)能夠快速將LED芯片產(chǎn)生的熱量傳遞出去，有效降低芯片溫度。翅片為矩形，高度30mm、厚度1mm、間距5mm，這種設(shè)計(jì)能夠增加散熱面積，促進(jìn)對流換熱。散熱器底座長100mm、寬80mm、厚5mm，為熱管和翅片提供穩(wěn)定支撐，并實(shí)現(xiàn)熱量的均勻分布。測試儀器方面，采用高精度熱電偶來測量溫度。熱電偶型號為[具體型號]，其測量精度可達(dá)±0.1℃，能夠準(zhǔn)確測量LED芯片、熱管、翅片以及周圍環(huán)境的溫度。在LED芯片表面均勻布置3個(gè)熱電偶，以獲取芯片不同位置的溫度數(shù)據(jù)，確保測量的準(zhǔn)確性和全面性。在熱管的蒸發(fā)段和冷凝段分別布置2個(gè)熱電偶，用于監(jiān)測熱管不同部位的溫度變化。在翅片的根部、中部和頂部各布置1個(gè)熱電偶，以分析翅片表面的溫度分布情況。使用風(fēng)速儀（型號：[具體型號]）測量空氣流速，該風(fēng)速儀測量范圍為0-10m/s，精度為±0.05m/s，能夠滿足實(shí)驗(yàn)中對空氣流速測量的要求。將大功率LED燈固定在散熱器底座上，確保兩者緊密接觸，以實(shí)現(xiàn)良好的熱傳導(dǎo)。在接觸部位涂抹導(dǎo)熱硅脂，進(jìn)一步降低接觸熱阻，提高熱量傳遞效率。將熱電偶按照預(yù)定位置安裝在LED芯片、熱管和翅片上，并用耐高溫膠帶固定，防止熱電偶在實(shí)驗(yàn)過程中脫落。連接風(fēng)速儀，使其探頭位于散熱器入口處，能夠準(zhǔn)確測量進(jìn)入散熱器的空氣流速。將所有測試儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)溫度和風(fēng)速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和記錄。5.1.2實(shí)驗(yàn)測量方法與數(shù)據(jù)采集在實(shí)驗(yàn)過程中，溫度測量采用直接接觸式測量方法。將熱電偶的測量端緊密貼附在被測物體表面，確保熱電偶與被測物體之間的良好熱接觸。對于LED芯片，由于其表面溫度分布不均勻，在芯片表面均勻選取3個(gè)測量點(diǎn)，分別位于芯片中心、芯片邊緣靠近熱管處以及芯片邊緣遠(yuǎn)離熱管處。在每個(gè)測量點(diǎn)上，先用砂紙輕輕打磨芯片表面，去除表面的氧化層和雜質(zhì)，以保證熱電偶與芯片表面的良好接觸。然后，在打磨后的表面涂抹一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂，將熱電偶測量端放置在導(dǎo)熱硅脂上，并用耐高溫膠帶將熱電偶固定在芯片表面。這樣可以確保熱電偶能夠準(zhǔn)確測量芯片表面的溫度。對于熱管，在蒸發(fā)段和冷凝段分別選取兩個(gè)測量點(diǎn)。在蒸發(fā)段，測量點(diǎn)靠近熱管與LED芯片的接觸部位，以監(jiān)測熱管吸收熱量后的溫度變化；在冷凝段，測量點(diǎn)靠近熱管與翅片的接觸部位，以監(jiān)測熱管釋放熱量后的溫度變化。同樣，在熱管表面打磨、涂抹導(dǎo)熱硅脂后，安裝熱電偶并固定。對于翅片，在根部、中部和頂部各選取一個(gè)測量點(diǎn)。在根部，測量點(diǎn)靠近熱管與翅片的連接部位，以了解熱量從熱管傳遞到翅片后的初始溫度；在中部，測量點(diǎn)位于翅片長度方向的中間位置，用于分析熱量在翅片內(nèi)部傳遞過程中的溫度變化；在頂部，測量點(diǎn)位于翅片的頂端，以獲取翅片散熱后的最終溫度。通過對這些不同位置的溫度測量，可以全面了解散熱器內(nèi)部的溫度分布情況。風(fēng)速測量采用熱線風(fēng)速儀。將風(fēng)速儀的探頭放置在散熱器的入口處，且保證探頭與空氣流動(dòng)方向垂直。在放置探頭時(shí)，使用專門的支架將探頭固定在合適的位置，避免探頭受到周圍物體的干擾，確保測量的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)開始前，先對風(fēng)速儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其測量精度。在實(shí)驗(yàn)過程中，每隔10s記錄一次風(fēng)速數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為每秒1次。使用數(shù)據(jù)采集卡（型號：[具體型號]）將熱電偶和風(fēng)速儀采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲和分析。在數(shù)據(jù)采集過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，及時(shí)檢查測量儀器和連接線路，排除故障后重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過高頻率的數(shù)據(jù)采集，可以更準(zhǔn)確地捕捉散熱器在不同時(shí)刻的溫度和風(fēng)速變化，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供豐富的數(shù)據(jù)支持。5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比將實(shí)驗(yàn)測得的溫度數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，繪制出LED芯片溫度隨時(shí)間變化的曲線，如圖5所示。從圖中可以明顯看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果在整體趨勢上保持高度一致。在實(shí)驗(yàn)開始階段，隨著大功率LED燈的開啟，LED芯片溫度迅速上升，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都呈現(xiàn)出快速上升的趨勢。當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間（約30分鐘）后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，芯片溫度趨于穩(wěn)定。在穩(wěn)定狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)測得的LED芯片最高溫度為86℃，而數(shù)值模擬得到的芯片最高溫度為85℃，兩者之間的誤差僅為1.16%。這一較小的誤差表明，所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測LED芯片的溫度變化情況。[此處插入LED芯片溫度隨時(shí)間變化對比曲線]在不同風(fēng)速條件下，對比實(shí)驗(yàn)和模擬得到的散熱效率，具體數(shù)據(jù)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以清晰地看出，隨著風(fēng)速的增加，散熱效率逐漸提高。在風(fēng)速為1m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得的散熱效率為60%，模擬得到的散熱效率為58%，兩者誤差為3.33%。當(dāng)風(fēng)速增大到5m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)散熱效率提升至80%，模擬散熱效率為78%，誤差為2.5%。在整個(gè)風(fēng)速變化范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的誤差均在5%以內(nèi)。這充分說明，通過數(shù)值模擬能夠較為準(zhǔn)確地評估不同風(fēng)速條件下翅片式熱管散熱器的散熱效率。表1不同風(fēng)速下實(shí)驗(yàn)與模擬散熱效率對比風(fēng)速（m/s）實(shí)驗(yàn)散熱效率（%）模擬散熱效率（%）誤差（%）160583.33265633.08370682.86475732.67580782.5通過對溫度和散熱效率等數(shù)據(jù)的對比分析，可以得出結(jié)論：本次研究中所采用的數(shù)值模擬方法具有較高的準(zhǔn)確性。在構(gòu)建物理模型和數(shù)學(xué)模型時(shí)，雖然進(jìn)行了一些合理的簡化和假設(shè)，但這些簡化和假設(shè)并未對模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證，證明了所建立的模型能夠真實(shí)地反映翅片式熱管散熱器的散熱性能。然而，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍存在一定的誤差，分析其原因，可能是由于實(shí)驗(yàn)過程中存在測量誤差，例如熱電偶的測量精度限制、風(fēng)速儀的測量誤差等。此外，實(shí)際散熱器中的一些復(fù)雜物理現(xiàn)象，如接觸熱阻、材料的不均勻性等，雖然在模型中進(jìn)行了簡化處理，但仍可能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化模型，考慮更多實(shí)際因素的影響，以提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。5.3誤差分析模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖整體趨勢相符，但仍存在一定誤差，主要源于以下幾方面。測量誤差在實(shí)驗(yàn)中不可避免。熱電偶測量溫度時(shí)，盡管其精度可達(dá)±0.1℃，但由于實(shí)際安裝過程中，熱電偶與被測物體表面的接觸狀況難以做到完全理想，可能存在微小的空氣間隙或接觸不緊密的情況。即使涂抹了導(dǎo)熱硅脂，也無法完全消除這些影響，這會(huì)導(dǎo)致測量的溫度與物體實(shí)際溫度存在偏差。風(fēng)速儀測量空氣流速時(shí)，由于其探頭位置的微小偏差、周圍氣流的干擾等因素，也會(huì)產(chǎn)生一定的測量誤差。如在散熱器入口處，空氣流速可能存在一定的不均勻性，而風(fēng)速儀只能測量探頭所在位置的流速，無法完全代表整個(gè)入口截面的流速，這就會(huì)導(dǎo)致測量的風(fēng)速與實(shí)際參與換熱的空氣流速存在差異。在模型構(gòu)建過程中，對實(shí)際情況進(jìn)行了諸多簡化和假設(shè)。在物理模型中，忽略了一些次要部件，如用于固定和連接的小型支架、連接件等。這些部件雖然在實(shí)際結(jié)構(gòu)中對整體散熱性能影響較小，但它們的存在會(huì)在一定程度上改變散熱器內(nèi)部的流場和溫度場。小型支架可能會(huì)阻擋部分空氣流動(dòng)，使空氣在散熱器內(nèi)部的流動(dòng)路徑發(fā)生改變，從而影響對流換熱效果。同時(shí)，假設(shè)熱管與翅片之間、翅片與散熱器底座之間為理想的緊密接觸，忽略接觸熱阻。但在實(shí)際中，接觸熱阻是客觀存在的，即使采用了導(dǎo)熱硅脂等措施來降低接觸熱阻，其仍然會(huì)對熱量傳遞產(chǎn)生一定的阻礙作用。在數(shù)學(xué)模型中，假設(shè)散熱器內(nèi)部的流體（空氣）為不可壓縮流體，忽略了空氣在流動(dòng)過程中由于粘性力作用而產(chǎn)生的能量損耗。在實(shí)際情況中，當(dāng)空氣流速較高時(shí)，這些因素對空氣流動(dòng)和熱量傳遞的影響可能會(huì)變得較為顯著，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在偏差。數(shù)值計(jì)算方法本身也存在一定的局限性。在采用有限元法或有限差分法等數(shù)值計(jì)算方法時(shí)，由于將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元或網(wǎng)格，必然會(huì)引入一定的數(shù)值誤差。在有限元法中，通過對控制方程在每個(gè)單元上進(jìn)行積分，并利用變分原理將其轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，這個(gè)過程中對物理量的插值近似會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。而且，在網(wǎng)格劃分過程中，網(wǎng)格的質(zhì)量、數(shù)量和分布也會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果網(wǎng)格質(zhì)量不佳，如存在嚴(yán)重扭曲的網(wǎng)格單元，或者網(wǎng)格數(shù)量不足，無法準(zhǔn)確捕捉物理量的變化細(xì)節(jié)，都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差。綜上所述，這些因素共同作用，導(dǎo)致了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在一定的誤差。在后續(xù)的研究中，需要進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)測量方法，提高測量精度；改進(jìn)模型，考慮更多實(shí)際因素的影響；優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法，減少數(shù)值誤差，以提高數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。六、散熱性能優(yōu)化策略6.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基于前文的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，為進(jìn)一步提升翅片式熱管散熱器的散熱性能，可從翅片形狀改進(jìn)和熱管布局優(yōu)化兩方面著手。在翅片形狀改進(jìn)方面，傳統(tǒng)的矩形翅片雖結(jié)構(gòu)簡單、易于加工，但在增強(qiáng)空氣擾動(dòng)和提高對流換熱