大功率LED灯具散热结构优化设计与实验研究(5)

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法国物理学家 Fourier 在 1822 年发明了著名的 Fourier 定律（2.1），用来计算存在温差的物体之间的热量传递。

q t

x

（2.1）

q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量，单位 W/ m2； λ：导热系数（热

导率），单位为 W/( m ℃)；t：温度分布，单位为℃；为温度梯度；负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。

在大平壁模型内，温度和沿壁厚成线性降低分布，也是大功率 LED 灯具热分析过程中常用到的模型。比如导热胶、铝基板等，已知流过的热量、各板层的厚度、物体导热系数，可以计算上下表面的温差，从而分析导热的基本状态。

翅片散热主要是增大表面对流换热较小一端的表面积，用来强化散热，也属于热传导的一部分。严格地说，肋片中的温度场是三维、稳态、无内热源、常物性、第三类边条的导热问题。但由于三维问题比较复杂，故此，在忽略次要因素的基础上，将问题简化为一维问题。影响肋片效率的因素包括肋片材料的热导率、肋片表面与周围介质之间的表面传热系数 h、肋片的几何形状和尺寸（P、A、H）等。不同的翅片结构，需要通过理论公式来进行结构优化，已达到散热的最佳效果。[10]

2.1.2 热对流

若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。对流换热是一个比较复杂的过程，

往往伴随着热对流的同时还有热传导，因此，对流换热不是基本的换热方式。

早在 1702 年，英国著名物理学家牛顿就发明了牛顿冷却公式(2.2)，用来计算对流换热过程交换的热流量.

q  htw

 t 

（2.2）

h：表面传热系数，也叫换热系数，单位为 W/( m2•℃)；tw：壁面温度，单位为℃； t∞：流体温度，单位为℃；tw- t∞为物体表面和流体的温差，约定永远为正。

表面对流换热系数表征对流换热过程强弱的物理量，其影响因素主要有(1)流动起， (2)流动状态，(3)流体有无相变，(4)换热表面的几何因素，(5)流体的热物理性质。表面传热系数是众多因素的函数（2.3）。



h  fv,tw ,tf ,,cp,,,,l

（2.3）

牛顿冷却公式只是一种处理方法，既将许多因素都加在 h 上。对流换热的内容实际都是讨论 h 如何确定。

利用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程很难计算流体散热问题，人们往往利用对流传热过程的量纲分析（相似原理），引入特征数，来大略求解 h。对于被动式散热的大功率 LED 灯具，可以利用雷诺数 Nu、格拉晓夫数 Gr 来计算 h 的大小，其值一般为 2-10W/( m2•℃)。

2.1.3 热辐射

由于热的原因，热以电磁波的形式向外传播的形式称为热辐射。热辐射是物质的固有属性，它不需要介质，一切温度大于绝对零度的物体都会向外辐射能量。能全部吸收外来辐射而不向外辐射的的物质称为黑体，是一种理想的物质。黑体的辐射能力可以用 Stefan-Boltzmann 定律表征：

Eb 0T

（2.4）

Eb：黑体的辐射力，单位为 W/m2；σ0：Stefan-Boltzmann 常数，小为 5.67*108W/(m2·K4)。实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表面。

实际物体表面的热辐射性能均弱于黑体表面，实际表面的辐射力与同温度下黑体辐射力的比值，称为黑度ε（发射率），实际物体的辐射能力为：E=εσ0T4。实验结果发现，实际物体的辐射力并不严格地同热力学温度的四次方成正比，但工程计算中仍认为一切实际物体的辐射力都与热力学温度的四次方成正比，而把由此引起的修正包括到用实验方法确定的发射率中。[11]