夏季温室环境下植物生长用LED灯具散热结构的温度分布模型构建与验证.pdf
<p>第39 卷 第8 期 2018 年8 月 发 光 学 报 CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE Vol.39 No.8 Aug.,2018 文 章 编 号:1000-7032(2018)08-1115-08收 稿 日 期:2017-12-05； 修 订 日 期:2018-03-24 夏 季 温 室 环 境 下 植 物 生 长 用LED 灯 具 散 热 结 构 的 温 度 分 布 模 型 构 建 与 验 证 吕 北 轩 1 , 陈 豫 仁 2 , 熊 峰 1 (1. 上 海 大 学 机 电 工 程 与 自 动 化 学 院 上 海 市 智 能 制 造 及 机 器 人 重 点 实 验 室, 上 海 200072； 2. 上 海 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 电 子 信 息 材 料 系, 上 海 200072) 摘 要: 以 热 传 导 流 入 肋 片 热 量 与 通 过 空 气 与 肋 片 间 的 对 流 所 散 出 的 热 量 及 湿 空 气 凝 结 所 需 热 量 之 和 相 等 作 为 条 件, 构 建 了 可 以 实 际 反 映 温 室 环 境 影 响 下 的 植 物 生 长 用LED 灯 具 散 热 结 构 的 温 度 分 布 模 型。 通 过 实 验 结 合 仿 真 模 拟, 实 现 对 温 室 环 境 的 物 理 仿 真 模 型 的 建 立, 并 以 模 型 得 到 了 灯 具 处 于 最 为 恶 劣 的 工 况 下 的 空 气 物 理 参 数。 结 合 具 体 的 空 气 物 理 参 数 以 及 所 构 建 的 数 学 模 型, 计 算 出 了 悬 挂 在 温 室 中 部2.5m 高 度 处 的150 W 植 物 生 长 用LED 灯 具 在 最 为 恶 劣 的 工 况 下 的 散 热 结 构 关 键 节 点 的 温 度 数 值, 并 运 用 红 外 热 像 仪, 对 关 键 温 度 节 点 进 行 了 收 集。 数 据 表 明, 计 算 值 与 实 验 值 及 仿 真 值 的 数 值 误 差 均 不 超 过5, 验 证 了 模 型 的 正 确 性, 对 具 体 的 植 物 生 长 用LED 灯 具 的 散 热 结 构 的 设 计 具 有 积 极 的 指 导 作 用。 关 键 词:LED 散 热； 光 学 器 件； 温 度 分 布 数 学 模 型； 温 室 环 境； 数 值 仿 真 中 图 分 类 号:TN312.8 文 献 标 识 码:A DOI:10.3788/fgxb20183908.1115 MathematicalCalculationModelandItsVerificationfor TemperatureDistributionofLEDLightingsHeatsinksfor PlantGrowthinTheSummerGreenhouse LYUBei-xuan 1 ,CHENYu-ren 2 ,XIONGFeng 1 (1. KeyLaboratoryofManufacturingIntelligentandRoboticsofShanghai,SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation, ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China； 2. DepartmentofElectronicInformationMaterials,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China) CorrespondingAuthor,E-mail:xfengstaff.shu.edu.cn Abstract:AmathematicmodelofLEDheatsinksingreenhouseswasestablishedbytheconditionthat theheatconductedintothefinheatequalsthetotalheatfromtheairconvectionandthecondensationof wetair. Theairphysicalparametersundertheworstconditionwereobtainedbythephysicalsimulation modelofthegreenhouseenvironmentestablishedbyexperimentandsimulation. Afterobtainingthespe- cificairphysicalparameters,combinedwiththeconstructedmathematicalmodel,thetemperaturevalues ofthekeynodesofa150WplantgrowthLEDlamp'sheatsinksuspendedattheheightof2.5minthe middleofthegreenhousewerecalculatedintheworstcase. Thecorrectnessofthemodelwasverifiedby experimentandsimulation,thedatashowthattherelativeerrorisnotmorethan5,thusthishasa positiveeffectforthedesignofLEDlamps'heatsinkforgreenhouse. Keywords:LEDheatdissipation；opticaldevice；mathematicalmodeloftemperaturedistribution；greenhouseenvi- ronment；numericalsimulation 1116 发 光 学 报 第39 卷 1 引 言 在 设 施 农 业 中, 植 物 生 长 用LED 灯 常 采 用 大 功 率 瓦 数 以 满 足 作 物 所 需 光 合 光 量 子 通 量 密 度, 且 为 满 足 作 物 正 常 生 长, 温 室 往 往 采 用 滴 灌、 雾 培 等 方 式 对 作 物 进 行 栽 培, 从 而 造 成 温 室 内 部 温 度 既 高 且 空 气 湿 度 较 大 1-2 。 所 以, 高 功 率 的 植 物 生 长 用LED 灯 具 需 在 高 湿 度 及 高 环 境 温 度 且 弱 对 流 的 环 境 下 长 时 间 进 行 工 作, 使 用 环 境 较 为 恶 劣。 当 前, 对 于 植 物 生 长 用LED 光 照 的 研 究 集 中 在LED 对 于 特 定 植 物 生 长 的“ 光 配 方” 及“ 智 能 控 制” 等 领 域 3-5 , 少 有 文 章 阐 述 植 物 生 长 用LED 散 热 方 面 的 研 究, 植 物 生 长 用LED 灯 具 的 散 热 多 以 借 鉴 现 有 的 通 用LED 照 明 灯 具 进 行 设 计 6 。 但 当 前 散 热 结 构 多 以 模 仿 改 进、 经 验 设 计 为 主 导, 缺 少 理 论 性 指 导 帮 助 7 , 且 散 热 结 构 的 设 计 并 没 有 一 个 公 认 的 统 一 设 计 准 则。 故 此, 提 出 一 个 可 以 合 理 反 映 散 热 结 构 温 度 分 布 的 计 算 模 型, 对 设 计LED 灯 具 散 热 结 构 具 有 积 极 的 意 义。 总 结 相 关 国 内 外 学 者 近5 年 内 相 关 研 究 成 果 如 下: 国 外 方 面,Avram 运 用 最 少 材 料 法 根 据 组 合 努 赛 尔 数 的 实 验 关 联 式, 得 到 了 该 型 散 热 结 构 与 散 热 性 能 关 联 的 最 优 模 型, 进 而 指 导 散 热 结 构 设 计 8 。 Park 从 结 构 参 数 的 变 化 对 散 热 片 表 面 努 赛 尔 数 及 热 辐 射 率 的 影 响 作 为 切 入 点, 得 到 该 类LED 球 泡 灯 散 热 片 具 备 最 优 性 能 的 几 何 结 构 参 数 模 型 9 。 Jeong 提 出 了 一 种 基 于 响 应 面 曲 面 法 (RSM) 对 改 进 开 口 的 水 平 翅 片 散 热 片 的 几 何 形 状 进 行 优 化 的 数 学 模 型 10 。 国 内 方 面, 张 建 新 提 出 了 一 种 基 于 等 效 热 路 法, 可 以 正 确 表 达 散 热 结 构 热 传 导 与 环 境 热 对 流 共 同 作 用 的 温 度 分 布 计 算 模 型, 并 通 过 迭 代 计 算 与 实 验 验 证 了 模 型 的 正 确 性 11 。 孔 亚 楠 提 出 了 基 于 闭 环 主 导 极 点 的LED 的 功 率- 结 温 模 型, 并 通 过LM-BP 神 经 网 络 计 算 与 实 验 验 证 了 模 型 的 有 效 性 与 准 确 性 12 。 孙 历 霞 通 过 提 出 有 效 热 导 率 的 概 念, 构 建 出 了LED 散 热 结 构 的 温 度 分 布 模 型, 并 结 合 实 验 验 证 了 该 模 型 的 有 效 性 13 。 本 文 以 在 现 代 温 室 内 使 用 的 植 物 生 长 用 LED 灯 具 的 环 境 特 殊 性 为 切 入 点, 通 过 热 传 导 流 入 肋 片 热 量 与 通 过 空 气 与 肋 片 间 的 对 流 所 散 出 的 热 量 及 湿 空 气 凝 结 所 需 热 量 之 和 相 等 作 为 条 件, 分 别 讨 论 翅 片 串 接 与 翅 片 并 接 两 种 情 形, 以 热 流 传 递 的 连 续 性 作 为 关 联 条 件, 并 通 过 结 构 基 座 的 温 差 及 翅 片 顶 端 的 热 流 为 零 这 一 求 解 条 件, 推 导 出 了 整 个 散 热 结 构 的 温 度 计 算 求 解 方 程。 同 时 通 过 实 验 验 证 了 所 构 建 的 温 室 的 物 理 仿 真 模 型 的 正 确 性, 而 后 通 过 该 仿 真 模 型 对 温 室 内 的 难 解 空 气 常 数 进 行 求 解, 对 散 热 模 型 计 算 提 供 了 数 据 支 撑。 并 以 某 型 植 物 用LED 灯 具 的 铝 制 散 热 结 构 作 为 分 析 对 象, 通 过 实 验 和 仿 真 与 计 算 模 型 求 解 值 进 行 了 对 比, 验 证 本 文 所 构 建 的 计 算 模 型 的 正 确 性。 对 实 际 的LED 灯 具 散 热 结 构 的 设 计 提 出 了 一 种 具 备 一 定 可 操 作 性 的 解 决 方 法。 2 湿 工 况 温 度 分 布 计 算 模 型 对LED 灯 具 在 湿 空 气 中 使 用 矩 形 直 肋 散 热 结 构 进 行 散 热 的 热 稳 态 进 行 分 析, 并 作 出 如 下 假 设 以 便 于 对 关 键 问 题 进 行 分 析: (1) 散 热 结 构 材 质 各 向 同 性, 导 热 率 不 随 方 向 发 生 改 变, 且 水 汽 的 凝 结 潜 热 是 不 变 的； (2) 与 流 经 翅 片 侧 面 的 热 量 相 比, 流 经 翅 片 最 外 边 的 热 量 忽 略 不 计； (3) 因 气 流 导 致 的 空 气 压 降 影 响 忽 略 不 计； (4) 忽 略 辐 射 散 热 效 应； (5) 翅 片 内 部 自 身 没 有 热 源； (6) 流 入 与 流 出 翅 片 的 热 量 与 翅 片 与 环 境 温 度 的 温 差 呈 正 比。 2.1 散 热 结 构 热 流- 温 度 分 布 模 型 图1 给 出 了 矩 形 截 面 的 直 翅 肋 片 的 典 型 结 构,其 中x=t 顶 端,x=b 底 部, 以 顶 部 向 着 底 端 的 方 向 为x 轴 正 方 向。 LED 灯 具 在 通 过 矩 形 直 肋 散 热 结 构 与 湿 空 气 进 行 换 热, 同 时 存 在 着 换 热 与 传 质 过 程。 通 过 对 流 带 走 翅 片 所 含 部 分 热 能。 所 以 根 据 傅 里 叶 热 传 导、 牛 顿 冷 却 公 式 及 文 献14 得 到: (q+dq)+2(H+)h(T a - T)+ 2(H+)h D i fg ( a - )dx- q =0, (1) 式 中q 为 散 热 结 构 所 需 耗 散 的 热 功 率, 单 位 为W； h 为 对 流 换 热 系 数, 单 位 为W/(m 2 K)；T 为 积 分 微 元 处 的 温 度, 单 位 为K；T a 为 散 热 结 构 所 处 的 环 境 温 度, 单 位 为K；h D 为 传 质 系 数, 单 位 为kg/ (m 2 s)；i fg 为 水 汽 凝 结 潜 热, 单 位 为J/kg； a 为 环 境 空 气 湿 度 比, 单 位 为kg w /kg a ； 为 翅 片 表 面 的 空 气 湿 度 比。 第8 期 吕 北 轩, 等: 夏 季 温 室 环 境 下 植 物 生 长 用LED 灯 具 散 热 结 构 的 温 度 分 布 模 型 构 建 与 验 证 1117 H x = b x = t x = 0 L d x 图1 典 型 矩 形 截 面 直 翅 肋 片 Fig.1 Typicalcrosssectionofrectangularstraightfins 进 一 步 得 到: kH dT dx dT dx dx =2h(H+)(T- T a )dx+ 2(H+)h D i fg (- a )dx, (2) 其 中 文 献15 给 出, 由 刘 易 斯 数 定 义 所 得 到 的 自 然 对 流 条 件 下 的 湿 空 气 的 对 流 换 热 系 数h 与 传 质 系 数h D 之 间 的 关 系 为: h h D =c p Le 0.48 =c p D ( ) 0.48 , (3) 式 中 为 热 扩 散 系 数, 单 位 为m 2 /s；D 为 水 蒸 气 在 空 气 中 的 热 扩 散 率, 单 位 为m 2 /s。 因 为H, 故 根 据 前 面 假 设, 将 式(2) 化 简, 得 到 沿 着 翅 片 纵 向 的 两 点 间 的 温 差 微 分 方 程 为: d 2 dx 2 - m 2 +(- a ) =0, (4) 其 中m 为 散 热 结 构 的 肋 片 参 数,N 为 通 过 化 简 得 到 的 考 虑 湿 空 气 物 性 的 常 数, 它 们 的 定 义 如 下: m = 2h k , (5) N = i fg c p Le 0.48 , (6) 对 式(6) 求 微 分, 得 到: =- N(- a )+C 1 e mx +C 2 e -mx , (7) 对 式(7) 中x 求 微 分, 有: d dx =mC 1 e mx - C 2 e -mx , (8) 由 边 界 条 件 可 知, 结 构 基 座 的 温 差 b 为: (x=b) = b , 在 翅 片 顶 端 的 热 流 为:q (x=0) =0。 所 以 有 d dx x=0 =0。 故 此, 本 微 分 方 程 可 以 翅 片 上 任 意 一 点 的 温 差 与 热 流 作 为 初 始 数 据 进 行 求 解。 如 果 以 翅 片 基 座 为 例, 则 初 始 条 件 为: (x=b) = b 及q (x=b) =q b , 结 合 式(7) 与 傅 里 叶 公 式, 得 到: e mx e -mx - N(- a ) kAme mH - kAme -mH 0 é ë ê ê ù û ú ú C 1 C 2 1 é ë ê ê ê ù û ú ú ú = b q b é ë ê ê ù û ú ú , (9) 考 虑 到 翅 片 截 面 积A=L, 则 通 过 方 程 组(9) 进 行 求 解, 有 C 1 = kLm b +N(- a )e -mH +q b e -mH 2kLm 及C 2 = kLm b +N(- a )e mH -q b e mH 2kLm 。 然 后 将C 1 与C 2 代 回 式(9) 中, 则 有: (x) = e m(H-x) +e -m(H-x) 2 b - 1 kLm e m(H-x) - e -m(H-x) 2 q b + N(- a ) kLm e m(H-x) +e -m(H-x) 2 - N(- a ), (10) 经 过 化 简, 翅 片 上 任 意 一 点 的 温 差 可 写 为: (x) =cosh(m(H- x) b - 1 kLm sinh(m(H- x) q b + 1 kLm cosh(m(H- x)- 1 N(- a ), (11) 对 式(11) 两 边 求 微 分 后 代 入 傅 里 叶 方 程 中, 得 到: q(x)=kL d dx =-kLmsinh(m(H-x) b + cosh(m(H- x)q b - sinh(m(H- x) N(- a ), (12) 注 意 到x =0 时, (x=0) = t 及q (x=0) =q t , 则 翅 片 顶 端 的 温 度 与 热 流 为: (x =0) = t =cosh(mH) b - 1 kLm sinh(mH) q b + 1 kLm cosh(mH)-1 N(- a ) q(x =0) =q t =- kLmsinh(mH) b +cosh(mH)q b - sinh(mH)N(- a ) ,(13) 由 此 可 以 得 到 翅 片 底 部 与 顶 部 的 温 度- 热 流 关 联 公 式 如 下: t q t = b q b +D, (14) 1118 发 光 学 报 第39 卷 其 中 = cosh(mH) - 1 kLm sinh(mH) - kLmsinh(mH) cosh(mH) é ë ê ê ê ù û ú ú ú ,D = 1 kHm cosh(ml)- 1 N(- a ) - sinh(ml)N(- a ) é ë ê ê ê ù û ú ú ú 。 2.2 翅 片 串 联 图2 为n 个 翅 片 首 尾 相 连 的 简 化 模 型, 这 里 角 标t 表 示 着 翅 片 的 顶 部,b 表 示 着 翅 片 的 底 部。 热 流 从 翅 片n 流 向 翅 片1。 由 于 热 流 传 递 的 连 续 性, 对 于 翅 片1 与 翅 片2, 可 以 知 道: t2 q t2 = b1 q b1 . (15) tn = b n - 1 b 2 q b n - 1 q b 2 b n q tn q b n 翅 片 n 翅 片 2 q t2 q b 1 t2 = b 1 翅 片 1 q t1 t1 图2 n 个 翅 片 相 连 的 简 化 模 型 Fig.2 Simplifiedmodeloffinsincascade 另 外, 由 式(11) 可 知, 对 于 翅 片1 有: t1 q t1 é ë ê ê ù û ú ú = 1 b1 q b1 é ë ê ê ù û ú ú +D 1 , (16) 同 理 对 于 翅 片2 有: t2 q t2 é ë ê ê ù û ú ú = 2 b2 q b2 é ë ê ê ù û ú ú +D 2 , (17) 由 式(15) 的 已 知 条 件 可 知: b1 q b1 é ë ê ê ù û ú ú = t2 q t2 é ë ê ê ù û ú ú = 2 b2 q b2 é ë ê ê ù û ú ú +D 2 , (18) 进 一 步 可 以 得 到: t1 q t1 é ë ê ê ù û ú ú = 1 b1 q b1 é ë ê ê ù û ú ú +D 1 = 1 t2 q t2 é ë ê ê ù û ú ú +D 1 = 1 2 b2 q b2 é ë ê ê ù û ú ú + 1 D 2 +D 1 , (19) 由 此, 可 以 延 展 至n 个 翅 片 相 连, 最 后 构 建 出 翅 片 n 底 部 与 翅 片1 顶 部 的 温 度- 热 流 关 联 公 式: t1 q t1 = 1 2 3 n bn q bn + 1 2 n-1 D n + 1 2 D 3 + 1 D 2 +D 1 = bn q bn +D, (20) 其 中:= 1 2 n ,D= 1 2 n-1 D n + + 1 2 D 3 + 1 D 2 +D 1 。 2.3 翅 片 并 联 图3 表 示 翅 片m 与n 个 尺 寸 相 同 的 翅 片 相 连 的 情 形。 由 于 热 流 传 递 的 连 续 性, 可 以 得 到 条 件: ta = b1 = b2 = bn 及q ta =q b1 +q b2 + q bn 。 因 这n 个 翅 片 的 尺 寸 相 同, 故 可 视 为 传 热 能 力 相 同, 因 而 得 到: ta 1 n q ta é ë ê ê ê ù û ú ú ú = 1 0 0 1 n é ë ê ê ê ù û ú ú ú ta q ta é ë ê ê ù û ú ú = b1 q b1 é ë ê ê ù û ú ú ,(21) 对 于 翅 片a 与 翅 片1 有 ta q ta é ë ê ê ù û ú ú = a ba q ba é ë ê ê ù û ú ú +D a , (22) t1 q t1 é ë ê ê ù û ú ú = 1 b1 q b1 é ë ê ê ù û ú ú +D 1 , (23) 由 此 有: t1 q t1 é ë ê ê ù û ú ú = 1 1 0 0 1 n é ë ê ê ê ù û ú ú ú a ba q ba é ë ê ê ù û ú ú + 1 1 0 0 1 n é ë ê ê ê ù û ú ú ú D a +D 1 . (24) m n 1 2 图3 一 个 翅 片 与n 个 翅 片 相 连 Fig.3 Simplifiedmodeloffinsincluster 3 温 室 内 微 气 候 变 化 规 律 我 们 在 位 于 上 海 市 松 江 区 占 地 为8m×16m 的 温 室 进 行 了 相 关 实 验, 具 体 尺 寸 如 图4 所 示。 第8 期 吕 北 轩, 等: 夏 季 温 室 环 境 下 植 物 生 长 用LED 灯 具 散 热 结 构 的 温 度 分 布 模 型 构 建 与 验 证 1119 5 . 2 m 4 . 2 m 8 m 1 6 m 作 物 图4 温 室 概 图 及 相 关 尺 寸 Fig.4 Greenhouseoverviewandrelateddimensions 3.1 温 室 温 度、 湿 度、 风 速 实 际 与 仿 真 验 证 对2017 年7 月7 日 雷 阵 雨 天 气 下 的 温 室 进 行 数 据 收 集, 运 用 温 度、 相 对 湿 度 采 集 仪 在 离 地 面 2.5 m 的 温 室 中 进 行 布 置, 在 数 据 采 集 过 程 中 (700 至2000), 温 室 处 于 开 窗 通 风 状 态。 并 且 结 合 当 地 当 天 的 气 象 数 据, 运 用COMSOLMul- tiphysics5.3 通 过 传 热、 空 气 中 的 水 分 输 送 及 流 体 湍 流 构 建 出 温 室 内 的 多 物 理 场 的 耦 合, 建 立 了 温 室 的 仿 真 模 型。 由 图5 与 图6 可 见, 温 度 与 相 对 湿 度 的 仿 真 值 与 实 测 值 的 变 化 趋 势 基 本 一 致。 对 比 两 者 间 的 差 值, 可 知 温 室 内 温 度 的 实 测 值 与 仿 真 值 的 最 大 温 差 仅 为1.36, 最 大 相 对 误 差 为4.58； 温 室 内 相 对 湿 度 的 实 测 值 与 仿 真 值 之 间 的 最 大 差 值 为 29 9:00 T i m e (H H :M M ) T / 28 30 31 32 33 34 35 36 37 7:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 Am b i e n t t e m p e r a t u r e T e m p e r a t u r e i n t h e g r e e n h o u s e b y s i m u l a t i o n M e a s u r e d t e m p e r a t u r e i n t h e g r e e n h o u s e 图5 温 室 内 温 度 的 实 测 值 与 仿 真 值 Fig.5 Measured and simulated values of temperature in greenhouse 9: 00 T i m e (H H :M M ) R e l a t i v e h u m i d i t y /% 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 7 : 00 11: 00 13: 00 15: 00 17 : 00 19: 00 Am b i e n t t e m p e r a t u r e R e l a t i v e h u m i d i t y i n t h e g r e e n h o u s e b y s i m u l a t i o n M e a s u r e d r e l a t i v e h u m i d i t y i n t h e g r e e n h o u s e 图6 温 室 内 相 对 湿 度 的 实 测 值 与 仿 真 值 Fig.6 Measuredandsimulatedvaluesofrelativehumidityin greenhouse 3.2, 最 大 相 对 误 差 为4.3。 由 此 表 明, 所 建 的 温 室 仿 真 模 型 的 精 度 较 高, 可 以 较 为 全 面 地 反 映 温 室 的 实 际 情 况。 3.2 温 室 内 灯 具 安 装 位 置 的 自 然 对 流 环 境 分 析 由 格 拉 晓 夫 数 的 定 义 式 知: Gr = gL 3 T 2 , (25) 文 献16 中 给 出 了K Gr 数 在3×10 9 2×10 10 范 围 内 的 努 塞 尔 数 的 计 算 公 式: Nu =0.0292×(GrPr) 0.39 , (26) 由 努 赛 尔 数 的 定 义 式 知: Nu = hL k , (27) 根 据 所 建 立 的 温 室 仿 真 模 型, 以1400 作 为 时 间 节 点, 此 时 温 室 内, 在 灯 具 安 装 位 置 达 到 当 天 的 最 高 温 度36, 相 对 湿 度 为85, 属 于 植 物 生 长 用 LED 灯 当 天 工 况 最 为 恶 劣 的 情 况。 取 特 征 长 度L 为3m( 从 作 物 顶 部 至 温 室 顶 部 的 距 离), 并 在 COMSOL 中 得 到 了 湿 空 气 的 相 关 物 理 参 数, 如 表 1 所 示。 然 后 根 据 公 式(25)、(26) 及(27) 计 算 得 到 此 时 温 室 内 的 对 流 换 热 系 数 为1.85W/(m 2 K), 以 该 物 理 量 表 征 温 室 内 自 然 对 流 情 况。 表1 湿 空 气 物 理 参 数 及 其 他 相 关 参 数 Tab.1 Wetairphysicalparametersandotherrelevantparameters 符 号 意 义 数 值 单 位 湿 空 气 运 动 粘 度 1.676×10 -5 m 2 /s 湿 空 气 体 积 膨 胀 系 数 3.235×10 -3 1/K Pr 湿 空 气 普 朗 特 数 0.6987 1 k 湿 空 气 导 热 系 数 0.0278 W/(mK) T 温 室 内 上 下 参 考 面 间 温 差 3.238 K L 特 征 长 度 3 m 1120 发 光 学 报 第39 卷 4 植 物 生 长 用LED 灯 具 散 热 结 构 图7 为 该 型LED 植 物 补 光 灯 及 其 散 热 结 构 的 示 意 图。 为 了 达 到 给 定 面 积 下 的 光 合 光 量 子 通 量 密 度, 需 将 红 蓝 比 设 为41, 由150 颗1WLED 芯 片 构 成 的LED 植 物 补 光 灯 安 装 在 温 室 内 距 离 地 面2.5m 高 的 位 置。 4 5 8 4 5 ° 4 2 4 1 8 6 0 5 5 9 0 . 5 2 9 1 4 3 5 6 1 0 8 7 1 1 1 2 1 4 1 3 图7 LED 植 物 补 光 灯 及 其 散 热 结 构 Fig.7 LEDlampforplantgrowthanditsheatsink 5 验 证 分 析 5.1 实 验 与 仿 真 我 们 在 对 当 天 温 室 数 据 进 行 采 集 的 同 时, 也 进 行 了 实 际 灯 具 的 使 用 实 验, 并 通 过 红 外 热 像 仪 对 使 用 过 程 中 的 关 键 温 度 节 点 进 行 了 数 据 采 集。 此 外, 运 用ANSYSIcepak 对 处 于 温 室 环 境 内 环 境 温 度 为36、 相 对 湿 度 为85 的LED 灯 具 进 行 仿 真, 以LED 芯 片 转 换 效 率 为20 计 算, 相 关 的 结 构 组 件 及 其 热 性 能 如 表2 所 示。 表2 主 要 部 件 材 料 及 热 性 能 参 数 Tab.2 Maincomponent'smaterialsandthermalperformanceparameters 元 件 材 质 密 度/(kgm -3 ) 导 热 率/(Wm -1 K -1 ) 比 热 容/(Jkg -1 K -1 ) 散 热 结 构 挡 板 6063 铝 合 金 2690 202 900 LED 芯 片 半 导 体 材 料 6150 130 417 PCB 金 属 基 覆 铜 板 1250 0.35 1300 反 光 罩 聚 碳 酸 酯 1200 0.19 1172 密 封 橡 胶 聚 四 氟 乙 烯 2200 0.24 960 压 盖 304 不 锈 钢 7930 16.3 500 5.2 结 果 分 析 LED 芯 片 产 生 的 热 功 耗, 通 过 如 图7 所 示 的 “1-2-3”、“1-2-4-5”、“1-2-4-6-7”、“1-2-4-6-8”、 “1-9-10”、“1-9-11-12-13” 及“1-9-11-12-14” 这7 条 热 路, 通 过 散 热 结 构 将 热 量 导 出 到 环 境 中。 因 该 型 散 热 片 呈 典 型 的 对 称 结 构, 故 仅 对6 个 翅 片 组 的 图8 仿 真 所 得 到 的 散 热 结 构 各 个 节 点 的 温 度 分 布 Fig.8 Temperaturedistributionandeachnodeofheatsinkbysimulation 第8 期 吕 北 轩, 等: 夏 季 温 室 环 境 下 植 物 生 长 用LED 灯 具 散 热 结 构 的 温 度 分 布 模 型 构 建 与 验 证 1121 一 组 进 行 分 析 以 减 少 计 算 量。 由 热 像 仪 测 得 散 热 结 构 底 部 的 温 度 为70.4, 故 而 可 知 散 热 结 构 底 部 与 环 境 温 度 的 温 差 为34.4, 为 计 算 简 便 取 b =34.5。 而 后 以 底 部 温 差 b =34.5 及 翅 片 末 端 的 热 流q=0 作 为 求 解 条 件, 进 而 解 得 散 热 结 构 各 个 关 键 节 点 的 温 度。 运 用MATLAB 对 本 文 所 构 建 的 数 学 模 型 进 行 数 值 求 解, 对 仿 真 与 实 验 对 散 热 结 构 关 键 节 点 的 温 度 值 进 行 对 比, 具 体 数 值 如 表3 所 示。 图8 为 通 过ANSYSIcepak 的“Surface-Probe” 命 令 得 到 的 散 热 结 构 温 度 分 布 云 图 及 关 键 节 点 温 度。 通 过 表3 和 图8 可 知, 计 算 值 与 实 验 值 及 仿 真 值 的 相 对 误 差 均 在5 以 内, 验 证 了 本 文 所 构 建 数 学 模 型 的 正 确 性。 表3 散 热 结 构 上 各 点 温 度 Tab.3 Temperatureoftheeachnodeofheatsink 节 点 实 验 值/ 计 算 值/ 与 实 验 的 相 对 误 差 仿 真 值/ 与 仿 真 的 相 对 误 差 A 70.2 69.2251 1.39 69.4951 0.39 B 69.1 68.4136 0.99 68.7827 0.54 C 68.5 67.6241 1.28 68.3953 1.13 D 68.3 67.3264 1.43 68.0238 1.03 E 68.1 65.8126 3.36 67.7923 2.92 F 67.9 67.2135 1.01 67.6117 0.59 G 68.1 65.7632 3.43 67.5558 2.65 H 68.2 65.4234 4.07 67.5169 3.10 I 68.9 67.2366 2.41 68.4394 1.76 J 68.1 65.2131 4.24 67.9115 3.97 K 68.2 66.5624 2.40 67.9866 2.09 L 68.1 66.3259 2.61 67.7738 2.14 M 68.1 65.2357 4.21 67.7583 3.72 N 68 65.3122 3.95 67.7147 3.55 6 结 论 本 文 以 热 传 导</p>
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