第37卷 第7期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報 Vol 37 No 7 212 2021年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 基于CFD的植物工廠圓形鋸齒狀水冷LED燈管降溫效果模擬 方 慧 程瑞鋒 仝宇欣 李 琨 1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所 北京 100081 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點實驗室 北京 100081 摘 要 為及時將LED燈管芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去 提升LED燈的性能 延長其使用壽命 設(shè)計了一種圓形鋸齒狀 水冷LED燈管 并通過計算流體力學(xué) Computational Fluid Dynamics CFD 軟件構(gòu)建水冷LED燈管模型 對其降溫效 果進(jìn)行研究 在模型中將LED燈珠芯片設(shè)置為內(nèi)熱源 熱流密度根據(jù)燈珠的數(shù)量和電光轉(zhuǎn)化效率計算 其值為 1 7 107 W m3 驗證試驗表明 模擬值與實測值吻合較好 最大誤差為16 4 構(gòu)建的CFD模型能準(zhǔn)確模擬燈管各結(jié)構(gòu) 的溫度分布 利用驗證的模型模擬不同水流速度對水冷LED燈管溫度分布及水流壓降的影響 結(jié)果表明 不同流速下水 冷LED燈管的金屬散熱燈罩 燈珠芯片和水流的溫度分布比較均勻 表明該燈管的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理 燈珠芯片釋放的熱量 能很快傳導(dǎo)到水流中并被帶走 當(dāng)燈管入口水流速度從0 10 m s增加到0 25 m s時 進(jìn)出水溫差從1 4 下降到0 5 因此 在對水冷LED燈管進(jìn)行串聯(lián)時 可根據(jù)進(jìn)水溫度和環(huán)境溫度的差來計算可串接燈管數(shù)量 入口水流速度的增加亦 會增加水流阻力 根據(jù)模擬得到燈管進(jìn)出水壓差計算出燈管對水流的阻力系數(shù)為2 2 為水泵選型提供了依據(jù) 關(guān)鍵詞 溫度 計算流體力學(xué) 植物工廠 人工光源 模擬 水流速度 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 026 中圖分類號 S625 4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號 1002 6819 2021 07 0212 06 方慧 程瑞鋒 仝宇欣 等 基于CFD的植物工廠圓形鋸齒狀水冷LED燈管降溫效果數(shù)值模擬 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2021 37 7 212 217 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 026 http www tcsae org Fang Hui Cheng Ruifeng Tong Yuxin et al Numerical simulation of the cooling efficiency of circular serrated water cooled LEDs using CFD in plant factory J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 7 212 217 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 026 http www tcsae org 0 引 言 人工光植物工廠是一種通過對設(shè)施內(nèi)溫度 濕度 光照 CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境要素進(jìn)行高精度自動控 制 實現(xiàn)作物周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 1 隨著世界 人口 資源 環(huán)境問題的日益突出 植物工廠以傳統(tǒng)農(nóng) 業(yè)無法比擬的優(yōu)勢 受到世界各國的廣泛重視 相關(guān)技 術(shù)迅速發(fā)展成熟 在不同領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 2 4 中國 累計推廣面積達(dá)700多萬平方米 1 植物工廠一般采用空調(diào)進(jìn)行光 暗期變溫控制 5 9 空 調(diào)熱負(fù)荷的85 以上來自于人工光源在植物光期散發(fā)的 熱量 盡管光源采用具有冷光源之稱的LED 仍有70 以上的電能轉(zhuǎn)化成熱量 10 導(dǎo)致空調(diào)能耗占植物工廠總 能耗的15 25 11 如果未及時將這部分熱量帶走 熱量的急劇積累會導(dǎo)致LED芯片溫度的迅速上升 引起 發(fā)光效率下降 波長漂移 器件失效及壽命急劇減短等 一系列問題 12 13 Nadarajah等研究表明 當(dāng)光源溫度從 38 上升至55 時 其壽命由約50 000 h 驟降至 10 000 h 14 LED芯片產(chǎn)生的高溫除損害元器件外 也不 收稿日期 2020 10 10 修訂日期 2021 01 12 基金項目 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項 Y2020GH02 作者簡介 方慧 碩士 副研究員 研究方向為設(shè)施環(huán)境模擬 Email fanghui 通信作者 李琨 博士 副研究員 研究方向為設(shè)施園藝 Email likun 利于蔬菜生產(chǎn) 在熱輻射和熱對流作用下 這些熱量使 光源下方植物栽培區(qū)溫度上升 降低植物水分和養(yǎng)分利 用效率 15 16 降低光合速率 增強暗呼吸 17 減少礦物 質(zhì)吸收 18 20 增加抽薹率 葉片燒心 21 葉柄變色 22 葉片變苦 23 口感下降 24 及葉球松散 25 等癥狀 對植物 工廠生產(chǎn)和經(jīng)營造成明顯的負(fù)面影響 植物工廠中通常采用強制空氣冷卻方式將光源熱量 帶走 以目前主流的LED植物工廠為例 LED芯片工作 中產(chǎn)生的熱量先以熱傳導(dǎo)的方式轉(zhuǎn)移至散熱片上 而后 以對流與輻射形式將熱量傳導(dǎo)至空氣中 再經(jīng)植物工廠 內(nèi)氣流運動輸送至空調(diào)進(jìn)行調(diào)溫處理 但該過程熱量轉(zhuǎn) 移較為緩慢 尤其是在密集的栽培系統(tǒng)及蔬菜植株遮擋 情況下 正常的空氣流動受阻 無風(fēng)區(qū)域極易發(fā)生熱量 積聚 為解決上述問題 有學(xué)者研究將通氣管置于栽培 區(qū)植物上方 26 27 和下方 28 實現(xiàn)栽培區(qū)內(nèi)垂直方向上的 氣流擾動 以減少無風(fēng)區(qū)域 Moon等采用降溫 加熱 通 風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)控的混合控制策略減少植物工廠栽培架層 間及不同區(qū)域的環(huán)境差異 提高其均勻性 29 李琨等提 出了根際通風(fēng)方法 使植物工廠環(huán)境空氣流經(jīng)水培系統(tǒng) 中營養(yǎng)液面與栽培板之間的空氣層后經(jīng)植物冠層下部吹 至栽培區(qū) 實現(xiàn)高效的通風(fēng) 30 上述研究成果雖然能夠 加強通風(fēng)效能 緩解局部溫度上升對蔬菜的負(fù)面影響 在一定程度上提高光源強制空氣冷卻效果 但隨著植物 工廠規(guī)模的不斷擴大 植物工廠內(nèi)氣流分布不均的狀況 愈發(fā)明顯 局部環(huán)境均勻性和降溫效率亟待進(jìn)一步提高 第7期 方 慧等 基于CFD的植物工廠圓形鋸齒狀水冷LED燈管降溫效果模擬 213 液冷直接對光源進(jìn)行冷卻是一種效率更高的降溫方 式 液體具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)與定壓比熱容 能大幅度降 低換熱環(huán)節(jié)熱阻 提高冷卻效率 其散熱效果比風(fēng)冷方式 要強20倍以上 31 目前大功率LED光源水冷系統(tǒng)研究主 要集中在新型流道 換熱器結(jié)構(gòu)與翅片設(shè)計方面 32 較少 研究其在實際應(yīng)用環(huán)境下的性能表現(xiàn) 劉曉英等設(shè)計了 水冷式植物工廠LED面光源及散熱系統(tǒng) 并對其運行性 能進(jìn)行了測試 發(fā)現(xiàn)較無水冷散熱裝置的散熱器溫度低 5 3 19 3 33 該研究僅測定了溫度變化情況 并未對 其散熱器設(shè)計與運行關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行探索 盡管目前針對 水冷散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模擬研究較為深入 也有部分研究 測試了水冷系統(tǒng)的實際降溫性能 但仍然缺乏以植物工 廠實際生產(chǎn)應(yīng)用為目標(biāo)的光源水冷散熱系統(tǒng)解決方案及 其關(guān)鍵參數(shù)對散熱性能的影響研究 本研究針對植物工廠大規(guī)模應(yīng)用設(shè)計了一種圓形鋸 齒狀水冷LED燈管 基于Fluent軟件對燈管裝置熱傳導(dǎo) 水流壓降進(jìn)行模擬分析 探究了同一進(jìn)水溫度不同流速 下燈管裝置降溫性能及水流的阻力系數(shù) 以期為LED補 光燈在大型植物工廠中的研究及應(yīng)用提供理論依據(jù) 1 數(shù)值模擬 1 1 模型參數(shù)及運行原理 基于市售常規(guī)LED植物燈管外形規(guī)格參數(shù) 設(shè)計開 發(fā)了一種通用型圓形鋸齒狀水冷LED燈管 其結(jié)構(gòu)如圖 1所示 由水流管路 電源接口 密封蓋 密封圈 固定 絲扣 金屬散熱管道 燈罩 LED芯片 散熱鋁板等構(gòu) 成 LED發(fā)光芯片固定于散熱鋁板上 鋁板嵌入到管道 一側(cè)的凹槽中 與水管側(cè)面緊密貼合 為增大水流與管 路的接觸面積 管路內(nèi)部設(shè)計為圓形鋸齒狀凹凸面 1 水流管路 2 電源接口 3 密封蓋 4 密封圈 5 固定絲扣 6 金屬散熱管 道 7 燈罩 8 LED芯片 9 散熱鋁板 1 Water pipe 2 Power connection 3 Sealing cover 4 Sealing ring 5 Fixing screw thread 6 Metal heat dissipation pipe 7 Lamp shade 8 LED chip 9 Heat dissipation plate 圖1 圓形鋸齒狀水冷LED燈管試驗裝置模型 Fig 1 Test device model of circular serrated water cooled LED 1 2 模擬方程 水冷LED燈管中LED芯片為散熱源 其釋放出的熱 量以下述3種途徑被帶走 1 對流換熱 一部分熱量以 對流的形式傳遞到燈罩的空腔中 燈罩通過與空腔和環(huán)境 中的氣體進(jìn)行對流換熱 將熱量釋放到室外環(huán)境中 2 熱 輻射 芯片為高溫固體 芯片和燈罩之間存在溫差 導(dǎo) 致芯片一部分熱量以熱輻射的形式傳遞到燈罩 最終釋 放到環(huán)境中 3 熱傳導(dǎo) 芯片的大部分熱量直接傳導(dǎo)到 散熱板 再通過流動的水將熱量帶走 在本模擬中啟動 能量項 選擇k 湍流模型 34 相關(guān)控制方程為 1 動量守恒方程 x方向上 div div grad uu pu u St x W 1 y方向上 div div grad vv pv v St y W 2 z方向上 div div grad ww pu w St z W 3 式中 為水流的密度 kg m3 為水的動力黏性系數(shù) t 為時間 s W為速度矢量 u v w分別為流體質(zhì)點速 度在x y z方向上的分量 m s Su Sv Sw為源項 kg m s p為壓力 Pa 2 能量守恒方程 p p div div grad TST kVT T t c c 4 式中T為溫度 k為各材料的導(dǎo)熱系數(shù) W m cp為各材料的比熱容 J kg K ST為芯片散熱源項 W m3 1 3 網(wǎng)格劃分與邊界條件 為簡化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 管路與散熱板間的縫隙忽略 不計 考慮為一個整體 將構(gòu)建的水冷LED燈管模型輸 入到ANSYS Meshing 模塊中 利用Proximity and Curvature方法對幾何體進(jìn)行網(wǎng)格劃分 并對LED燈株芯 片和管道近壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理 共生成1 162 800個 網(wǎng)格 220 881 個節(jié)點 網(wǎng)格最小尺寸為2 mm 利用 skewness計算出網(wǎng)格最大偏斜度為0 84 最小偏斜度為 1 3 10 10 平均值為0 25 網(wǎng)格質(zhì)量可用于案例模擬分析 在邊界條件設(shè)置中將管路的一端設(shè)置為進(jìn)水口 Velocity inlet 另一端為設(shè)置壓力出口 Pressure outlet 水流管道設(shè)計的最大承載流量為 6 kg h 進(jìn)水管道直徑為4 mm 則進(jìn)水口的最大流速為 0 5 m s 在建筑供暖中為滿足暖氣管中的氣泡能被水流帶 走 因此設(shè)計流速一般為0 25 m s 35 在本試驗中為得到 最優(yōu)水流速度 設(shè)置4個速度梯度 分別為0 1 0 15 0 2和0 25 m s 管路外殼與散熱板均為導(dǎo)熱固體材料 LED燈珠芯片設(shè)置為熱源 環(huán)境操作溫度為植物工廠光 期控制溫度 設(shè)置為24 1 3 1 進(jìn)水溫度計算 植物工廠光期環(huán)境溫度和相對濕度分別按24 和 70 考慮 為保證水冷LED燈管無冷凝 則水流溫度應(yīng) 高于露點溫度 其計算式為 36 2RH 19 d db dbt A B t C t 5 式中A 0 198 0 B 0 001 7 C 0 840 0 均為系數(shù) td為 露點溫度 tdb為干球溫度 RH為相對濕度 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021年 214 通過式 5 計算得到植物工廠露點溫度為17 為保 證燈管無結(jié)露 進(jìn)水口水流溫度應(yīng)不低于露點溫度 因 此 在模型中將水流入口溫度設(shè)置為17 1 3 2 芯片熱流密度計算 圓形鋸齒狀水冷LED燈管由300顆燈珠組成 燈珠 均勻排布于散熱板上 總電功率為60 W 根據(jù)Nelson的 研究表明紅色LED燈珠和藍(lán)色LED燈珠的電光轉(zhuǎn)化效率 分別為32 和49 37 據(jù)此 燈珠芯片的熱流密度計算 式為 E e 1 6 Eq V 7 式中e為燈珠的電功率 W 為燈珠電光轉(zhuǎn)化效率 E 為燈珠的熱功率 W V為單個芯片的體積 m3 q為單 個芯片熱流密度 W m3 結(jié)合式 6 和 7 水冷LED 燈管芯片的熱流密度為1 7 107 W m3 本試驗?zāi)M計算中所涉及的材料包括氣體 空氣 液體 水 和固體 玻璃 鋁 所有材料熱物理屬性 如表1所示 表1 材料熱物理屬性 Table 1 Thermal properties of materials 材料 Materials 密度 Density kg m 3 比熱 Specific heat J kg 1 K 1 熱導(dǎo)系數(shù) Thermal conductivity W m 1 K 1 黏度系數(shù) Dynamic viscosity kg m 1 s 1 熱膨脹系數(shù) Thermal expansion coefficient K 1 空氣 Air 1 225 1 006 43 2 42 10 2 1 789 4 10 5 3 43 10 3 水 Water 998 2 4 182 0 6 1 003 10 3 玻璃 Glass 2 500 670 0 74 鋁 Aluminum 2 719 871 202 4 1 4 計算方法 在Fluent中湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k 模型 近壁面采用 Enhanced wall treatment 壁面函數(shù) 考慮壁面作用和浮 升力的作用 選擇 Full buoyancy effects 同時打開能 量方程和重力項 動量 能量和黏性項都選用一階迎風(fēng) 格式 以達(dá)到更快收斂 將能量項的松弛因子設(shè)置為10 6 其余項均設(shè)置為10 3以判斷結(jié)果是否收斂 1 5 模型驗證 模型驗證是檢驗數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的重要方式之一 相應(yīng)的模型驗證試驗裝置如圖2所示 包括水箱 水泵 三通閥 節(jié)流閥 流量計和水冷LED燈管 試驗用供水 水泵 型號 WS123 工作電壓12V 流量 8 L min 揚程 3 m 與三通閥連接 三通閥的一端與流量計 型 號 LZM 15ZT 測量范圍 0 04 0 4 m3 h 連接 另一 端與節(jié)流閥連接 通過流量計和節(jié)流閥控制流入水冷 LED燈管的水流速度 測點布置 分別在水冷LED燈管 的金屬散熱管側(cè)面和玻璃燈罩側(cè)面的中間位置及兩端各 布置1個溫度測點 合計6個溫度測點 在水流出 入 口分別布置1個溫度測點 合計2個測點 溫度測量選 用銅 康銅熱電偶線 其測量精度為 0 2 所有數(shù)據(jù)通 過HOBO數(shù)據(jù)采集儀 型號 UX120 014M 采集 采 集時間間隔為1 min 1 流量計 2 燈管 3 三通閥 4 節(jié)流閥 5 水泵 6 溫度傳感器 1 Flowmeter 2 Lamp 3 Three way valve 4 Throttle valve 5 Water pump 6 Temperature sensor 圖2 水冷LED燈管驗證裝置整體結(jié)構(gòu) Fig 2 Overall structure of water cooled LED validation device 2 結(jié)果與分析 2 1 試驗驗證 為驗證數(shù)值模型 測試了進(jìn)水溫度24 流速0 2 m s 時的水冷LED燈管各結(jié)構(gòu)的溫度穩(wěn)定實測值 并將實測 值與模擬值進(jìn)行對比 結(jié)果如表2所示 從表2可以看 出燈管各結(jié)構(gòu)溫度的模擬值與實測值的整體變化趨勢一 致 誤差范圍為 0 8 16 4 其中 金屬散熱管外殼 表面溫度的模擬值分別為25 0 25 4和25 8 對應(yīng)的 實測溫度值分別為24 8 26 0和26 2 模擬值與實測 值平均誤差僅為1 2 燈管玻璃罩外表面溫度模擬值分 別為25 5 25 3和25 0 對應(yīng)的實測值分別為27 4 29 8和29 9 模擬值均低于實測值 平均誤差為12 8 高于燈管金屬殼的誤差 其主要原因是在進(jìn)行CFD模擬 時 忽略了LED芯片熱輻射對玻璃燈罩溫度的影響 水 流出口溫度的實測值為26 0 模擬值為25 7 二者 誤差較小 僅為1 2 誤差范圍均在20 以內(nèi) 說明模 擬值與實測值吻合度較好 38 表2 水冷LED燈管溫度模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比 Table 2 Comparison of CFD results with experimental data of water cooled LED temperature 測點 Measured points 模擬值 Simulated value 實測值 Measured value 相對誤差 Relative error 25 0 24 8 0 8 25 4 26 0 1 3 散熱管 Cooling pipe 25 8 26 2 1 5 25 5 27 4 6 9 25 3 29 8 15 1 燈罩 Lamp shade 25 0 29 9 16 4 出口 Outlet 25 7 26 0 1 2 2 2 模擬結(jié)果與分析 為對比不同參數(shù)下的流場分布特性 設(shè)置水冷LED 燈管的對稱面 YOZ 面 X 0 進(jìn)水口截面 XOZ 面 Y 575 mm 出水口截面 XOZ面 Y 575 mm和燈管末 端截面 XOZ面 Y 565 mm作為流暢監(jiān)測面 2 2 1 入口流速對管路壓力影響 圖3為進(jìn)水溫度為17 水流速度分別為0 10 0 15 0 20和0 25 m s時 水冷LED燈管進(jìn) 出水口截 面壓力云圖 此時水冷LED燈管道內(nèi)平均水流速度分別 第7期 方 慧等 基于CFD的植物工廠圓形鋸齒狀水冷LED燈管降溫效果模擬 215 為0 017 0 020 0 024和0 028 m s 其水流速度非常小 速度差異不顯著 隨著入口流速增加 入口截面管道下 部高壓區(qū)域面積增大 上部低壓區(qū)域面積減少 而在出 口截面處正好相反 說明流速升高 流場的壓力強度增 大 阻力也隨之增大 注 進(jìn)水溫度為17 Note The inlet water temperature is 17 圖3 不同入口流速水冷LED燈管進(jìn) 出水口壓力云圖 Fig 3 Pressure magnitude contour of water cooled LED with different inlet water velocity 表3給出了不同進(jìn)口水流速度下進(jìn)出水口的壓差值 當(dāng)水冷LED燈裝置的入口處水流速度分別為0 10 0 15 0 20和0 25 m s時 管道對水流的阻力損失分別為13 2 25 7 41 9和62 5 Pa 根據(jù)伯努利方程 流體阻力損失 與流速存在如下關(guān)系式 212P U 8 式中 P為進(jìn) 出口水流壓差 Pa 為燈管流道的阻力 系數(shù) 無量綱 U為水流速度 m s 對管道壓差與進(jìn)口 流速進(jìn)行非線性二次擬合得到水冷LED燈管阻力系數(shù) 為2 2 表3 不同進(jìn)口水流速度下進(jìn)出水口的壓差與溫差 Table 3 Pressure and temperature difference between inlet and outlet at different inlet velocity 水流速度 Water flow velocity m s 1 靜壓差 Static pressure difference Pa 溫差 Temperature difference 0 10 13 2 1 4 0 15 25 7 0 9 0 20 41 9 0 7 0 25 62 0 0 5 植物工廠中多以種植葉菜為主 光期環(huán)境溫度設(shè)置 為26 39 為保證LED光源釋放的熱量能被水流帶走 則燈管金屬外殼溫度應(yīng)不高于環(huán)境溫度 因此 在入口 流速分別為0 10 0 15 0 20和0 25 m s時 燈管能串聯(lián) 的最大數(shù)量分別為6 10 12和18根 串聯(lián)燈管進(jìn)出口 水流壓差分別達(dá)到79 2 257 502 8和1 116 Pa 2 2 2 入口流速對燈管降溫效果影響 圖4 顯示了入口流速分別為0 10 0 15 0 20 和 0 25 m s條件下 水冷LED燈裝置內(nèi)的溫度云圖 溫度 云圖從上至下分為2組 分別表示燈管對稱面X 0 出口 處燈管橫截面Y 570 mm 2個特征面的溫度分布 從圖 4可以看出 沿著水流方向燈管溫度逐漸升高 對比不同 流速下的燈管溫度分布發(fā)現(xiàn) 隨著入口流速的增加 燈 管裝置整體區(qū)域的溫度下降 降溫效果變好 其原因在 于增加水流速度加快了水流與燈管接觸面間的對流換 熱 促進(jìn)燈管熱量的轉(zhuǎn)移 表2給出了不同進(jìn)口水流速 度下進(jìn)出水口的溫差值 當(dāng)入口水流溫度為17 水流 速度分別為0 10 0 15 0 20和0 25 m s時 進(jìn)出水溫差 分別為1 4 0 9 0 7和0 5 圖4顯示在近水流出口 的橫截面上 燈管金屬散熱罩 燈珠芯片和水流溫度分 布比較均勻 燈罩溫度相對較高 注 燈管對稱面 X 0 出水口處燈管截面 Y 570 mm Note Symmetry plane of lamp X 0 Lamp cross section near water outet Y 570 mm 圖4 不同入口速度水冷LED燈管裝置溫度云圖 Fig 4 Temperature magnitude contour of water cooled LED with different inlet water velocity 入口流速0 10 0 15 0 20和0 25 m s條件下燈管各 部分的溫度體積加權(quán)平均值如圖5所示 當(dāng)進(jìn)口水流速 從0 10 m s增加到0 25 m s時 燈管內(nèi)空氣 燈珠芯片 金屬散熱管和水流區(qū)域的平均溫度分別下降了0 3 0 3 0 3和0 4 燈管的高溫區(qū)域主要集中在燈管內(nèi)空氣區(qū) 域 其主要原因是外環(huán)境溫度設(shè)置為24 燈罩吸收的 外部熱量不能迅速被管道中的水流帶走 不同入口水流 速度下燈管金屬散熱罩 燈珠芯片和水流區(qū)域溫度差異 不顯著 進(jìn)一步說明了水冷LED燈管裝置的散熱效果較 好 LED芯片產(chǎn)生的熱量能迅速被水流帶走 圖5 不同入口水流速度下水冷LED燈管裝置不同區(qū)域平均溫度 Fig 5 Average temperature in different part of water cooled LED with different inlet water velocity 3 結(jié) 論 本研究針對植物工廠人工光源散熱量大 環(huán)控系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 http www tcsae org 2021年 216 能耗高的問題 設(shè)計了一種以液體為熱傳導(dǎo)介質(zhì)的通用 型水冷LED燈管 并通過CFD數(shù)字模型的構(gòu)建對不同水 流情況下水冷LED燈管溫度分布及水流壓降的影響進(jìn)行 了模擬 為實際使用中需要明確的冷卻水溫度 水流速度 串接數(shù)量等關(guān)鍵參數(shù)提供了理論依據(jù) 有效指導(dǎo)了水冷燈 管在植物工廠中的安裝與使用 研究主要結(jié)論如下 1 通過模擬和實測進(jìn)水溫度為24 流速為0 2 m s 條件下LED燈管金屬散熱管 燈罩和出口水流溫度 得 到模擬結(jié)果與試驗結(jié)果百分比誤差在16 4 以內(nèi) 構(gòu)建的 水冷LED燈管CFD模型能準(zhǔn)確描述水流溫度與速度對水 冷LED燈管的降溫效果影響 為水冷LED燈管的研究及 應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ) 2 利用驗證的模型模擬不同入口速度對燈管熱耗散 的影響 結(jié)果表明 入口流速的增加 加速了燈珠芯片 熱量被水流帶走 在入口水溫為17 入口速度分別為 0 10 0 15 0 20和0 25 m s時 進(jìn)出水溫差分別為1 4 0 9 0 7和0 5 植物工廠中對水冷LED燈管進(jìn)行串聯(lián) 時 應(yīng)根據(jù)進(jìn)水溫度和環(huán)境溫度的差來計算可串接燈管 數(shù)量 3 入口流速的增加亦會增加水流阻力 本試驗設(shè)計 的圓形鋸齒水冷LED燈管對水流的阻力系數(shù)為2 2 在實 際植物工廠生產(chǎn)中 應(yīng)根據(jù)水流速度和串聯(lián)燈管數(shù)量計 算總水流壓力損失 該計算結(jié)果可為水泵選型提供依據(jù) 參 考 文 獻(xiàn) 1 楊其長 植物工廠 M 北京 清華大學(xué)出版社 2019 2 Ioslovich I Gutman P O Optimal control of crop spacing in a plant factory J Automatica 2000 36 11 1665 1668 3 Kato K Yoshida R Kikuzaki A et al Molecular breeding of tomato lines for mass production of miraculin in a plant factory J Journal of Agricultural and Food Chemmistry 2010 58 17 9505 9510 4 Miyagi A Uchimiya H Kawaiyamada M Synergistic effects of light quality carbon dioxide and nutrients on metabolite compositions of head lettuce under artificial growth conditions mimicking a plant factory J Food Chemistry 2017 218 561 568 5 Doo H S Bae H J Kim S J Production of Korean ginseng plants Panax ginseng C A Meyer in fully closed plant factories J Acta Horticulturae 2014 1037 777 782 6 Johkan M Shoji K Goto F et al Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa J Environmental and Experimental Botany 2012 75 128 133 7 Okamura K Matsuda Y Igari K et al The optimal harvesting time of vaccine producing transgenic lettuce cultivated in a closed plant factory J Environmental Control in Biology 2014 52 1 57 61 8 Park J Nakamura K Nishiura Y et al Cultivation of lettuce and considerations of suitable item in plant factory adopted automatic transportation system J IFAC Proceedings Volumes 2013 46 4 328 331 9 Wang J Lu W Tong Y et al Leaf morphology photosynthetic performance chlorophyll fluorescence stomatal development of lettuce Lactuca sativa L exposed to different ratios of red light to blue light J Front Plant Sci 2016 7 250 10 Lin M Chang C Horng R et al Heat dissipation performance for the application of light emitting diode J Symposium on Design Test Integration 2 Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures Ministry of Agriculture and Rural Affairs Beijing 100081 China Abstract LEDs are more commonly used than fluorescent lamps in plant factories with artificial light for energy savings But the LEDs cannot convert the input power to light at 100 efficiency Part of energy can be converted into heat and then be transferred to the ambient environment in terms of heat conduction radiation and convection However heat dissipation of LEDs has become a great challenge as the power increased while the volume of LEDs reduced In this study a circular serrated water cooled LED was designed to transmit the heat generated by LEDs in time for a longer service life A three dimensional Computational Fluid Dynamic CFD model was developed to assess the design where the LED bubbles were set as the internal heat source The electrical efficiency was assumed to be 32 and 49 in the red and blue LEDs respectively The heat flux of 1 7 107 W m3 was calculated according to the number of lamp beads and the electrical to light conversion efficiency The constructed grids were approximately 1 162 800 for each case including 220 881 nodes with a minimum element size of 2 mm Much finer meshes were automatically imposed near the bubbles with proximity and curvature size functions in meshing The SIMPLE was selected for the pressure velocity coupling A least square cell based scheme was used for the gradient term in spatial discretization The second order scheme was applied for the pressure term The second order upwind discretization schemes were used for momentum and energy equations whereas the first order upwind discretization schemes were used for turbulence equations mainly for higher accuracy The convergence criterion was set as 10 6 on energy and 10 3 on continuity momentum and viscous terms Inlet and outlet boundary conditions were set for the numerical solution using the velocity inlet and pressure outlet The inlet water velocity and water temperature were set as 0 2 m s and 24 respectively The simulated value of the LED water cooled lamp was close to the measured value with the maximum error of 16 4 indicating that the CFD model could accurately simulate the temperature distribution of each structure of the lamp The validated model was used to simulate the influence of different water flow velocities on the temperature distribution and water flow pressure drop in a water cooled LED lamp The results showed that the temperature distribution of bubbles and water flow was relatively uniform and the structure of the lamp was reasonable The heat released by the bead chip was quickly transferred into the water flow when the inlet velocity of the lamp increased from 0 10 to 0 25 m s and the difference of water temperature between the inlet and outlet dropped from 1 4 to 0 5 Therefore a series of connected lamps were calculated according to the temperature difference between the inlet water and the ambient air when the water cooled LED lamps were connected in series The inlet flow velocity also improved the flow resistance where the resistance coefficient of lamps to the water flow was 2 2 Keywords temperature computational fluid dynamics plant factory supplementary light simulation wa