夏季溫室環(huán)境下植物生長用LED燈具散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布模型構(gòu)建與驗證.pdf
<p>第39 卷 第8 期 2018 年8 月 發(fā) 光 學(xué) 報 CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE Vol.39 No.8 Aug.,2018 文 章 編 號:1000-7032(2018)08-1115-08收 稿 日 期:2017-12-05； 修 訂 日 期:2018-03-24 夏 季 溫 室 環(huán) 境 下 植 物 生 長 用LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 分 布 模 型 構(gòu) 建 與 驗 證 呂 北 軒 1 , 陳 豫 仁 2 , 熊 峰 1 (1. 上 海 大 學(xué) 機 電 工 程 與 自 動 化 學(xué) 院 上 海 市 智 能 制 造 及 機 器 人 重 點 實 驗 室, 上 海 200072； 2. 上 海 大 學(xué) 材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院 電 子 信 息 材 料 系, 上 海 200072) 摘 要: 以 熱 傳 導(dǎo) 流 入 肋 片 熱 量 與 通 過 空 氣 與 肋 片 間 的 對 流 所 散 出 的 熱 量 及 濕 空 氣 凝 結(jié) 所 需 熱 量 之 和 相 等 作 為 條 件, 構(gòu) 建 了 可 以 實 際 反 映 溫 室 環(huán) 境 影 響 下 的 植 物 生 長 用LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 分 布 模 型。 通 過 實 驗 結(jié) 合 仿 真 模 擬, 實 現(xiàn) 對 溫 室 環(huán) 境 的 物 理 仿 真 模 型 的 建 立, 并 以 模 型 得 到 了 燈 具 處 于 最 為 惡 劣 的 工 況 下 的 空 氣 物 理 參 數(shù)。 結(jié) 合 具 體 的 空 氣 物 理 參 數(shù) 以 及 所 構(gòu) 建 的 數(shù) 學(xué) 模 型, 計 算 出 了 懸 掛 在 溫 室 中 部2.5m 高 度 處 的150 W 植 物 生 長 用LED 燈 具 在 最 為 惡 劣 的 工 況 下 的 散 熱 結(jié) 構(gòu) 關(guān) 鍵 節(jié) 點 的 溫 度 數(shù) 值, 并 運 用 紅 外 熱 像 儀, 對 關(guān) 鍵 溫 度 節(jié) 點 進(jìn) 行 了 收 集。 數(shù) 據(jù) 表 明, 計 算 值 與 實 驗 值 及 仿 真 值 的 數(shù) 值 誤 差 均 不 超 過5, 驗 證 了 模 型 的 正 確 性, 對 具 體 的 植 物 生 長 用LED 燈 具 的 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計 具 有 積 極 的 指 導(dǎo) 作 用。 關(guān) 鍵 詞:LED 散 熱； 光 學(xué) 器 件； 溫 度 分 布 數(shù) 學(xué) 模 型； 溫 室 環(huán) 境； 數(shù) 值 仿 真 中 圖 分 類 號:TN312.8 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼: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 發(fā) 光 學(xué) 報 第39 卷 1 引 言 在 設(shè) 施 農(nóng) 業(yè) 中, 植 物 生 長 用LED 燈 常 采 用 大 功 率 瓦 數(shù) 以 滿 足 作 物 所 需 光 合 光 量 子 通 量 密 度, 且 為 滿 足 作 物 正 常 生 長, 溫 室 往 往 采 用 滴 灌、 霧 培 等 方 式 對 作 物 進(jìn) 行 栽 培, 從 而 造 成 溫 室 內(nèi) 部 溫 度 既 高 且 空 氣 濕 度 較 大 1-2 。 所 以, 高 功 率 的 植 物 生 長 用LED 燈 具 需 在 高 濕 度 及 高 環(huán) 境 溫 度 且 弱 對 流 的 環(huán) 境 下 長 時 間 進(jìn) 行 工 作, 使 用 環(huán) 境 較 為 惡 劣。 當(dāng) 前, 對 于 植 物 生 長 用LED 光 照 的 研 究 集 中 在LED 對 于 特 定 植 物 生 長 的“ 光 配 方” 及“ 智 能 控 制” 等 領(lǐng) 域 3-5 , 少 有 文 章 闡 述 植 物 生 長 用LED 散 熱 方 面 的 研 究, 植 物 生 長 用LED 燈 具 的 散 熱 多 以 借 鑒 現(xiàn) 有 的 通 用LED 照 明 燈 具 進(jìn) 行 設(shè) 計 6 。 但 當(dāng) 前 散 熱 結(jié) 構(gòu) 多 以 模 仿 改 進(jìn)、 經(jīng) 驗 設(shè) 計 為 主 導(dǎo), 缺 少 理 論 性 指 導(dǎo) 幫 助 7 , 且 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計 并 沒 有 一 個 公 認(rèn) 的 統(tǒng) 一 設(shè) 計 準(zhǔn) 則。 故 此, 提 出 一 個 可 以 合 理 反 映 散 熱 結(jié) 構(gòu) 溫 度 分 布 的 計 算 模 型, 對 設(shè) 計LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 具 有 積 極 的 意 義。 總 結(jié) 相 關(guān) 國 內(nèi) 外 學(xué) 者 近5 年 內(nèi) 相 關(guān) 研 究 成 果 如 下: 國 外 方 面,Avram 運 用 最 少 材 料 法 根 據(jù) 組 合 努 賽 爾 數(shù) 的 實 驗 關(guān) 聯(lián) 式, 得 到 了 該 型 散 熱 結(jié) 構(gòu) 與 散 熱 性 能 關(guān) 聯(lián) 的 最 優(yōu) 模 型, 進(jìn) 而 指 導(dǎo) 散 熱 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 8 。 Park 從 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 的 變 化 對 散 熱 片 表 面 努 賽 爾 數(shù) 及 熱 輻 射 率 的 影 響 作 為 切 入 點, 得 到 該 類LED 球 泡 燈 散 熱 片 具 備 最 優(yōu) 性 能 的 幾 何 結(jié) 構(gòu) 參 數(shù) 模 型 9 。 Jeong 提 出 了 一 種 基 于 響 應(yīng) 面 曲 面 法 (RSM) 對 改 進(jìn) 開 口 的 水 平 翅 片 散 熱 片 的 幾 何 形 狀 進(jìn) 行 優(yōu) 化 的 數(shù) 學(xué) 模 型 10 。 國 內(nèi) 方 面, 張 建 新 提 出 了 一 種 基 于 等 效 熱 路 法, 可 以 正 確 表 達(dá) 散 熱 結(jié) 構(gòu) 熱 傳 導(dǎo) 與 環(huán) 境 熱 對 流 共 同 作 用 的 溫 度 分 布 計 算 模 型, 并 通 過 迭 代 計 算 與 實 驗 驗 證 了 模 型 的 正 確 性 11 。 孔 亞 楠 提 出 了 基 于 閉 環(huán) 主 導(dǎo) 極 點 的LED 的 功 率- 結(jié) 溫 模 型, 并 通 過LM-BP 神 經(jīng) 網(wǎng) 絡(luò) 計 算 與 實 驗 驗 證 了 模 型 的 有 效 性 與 準(zhǔn) 確 性 12 。 孫 歷 霞 通 過 提 出 有 效 熱 導(dǎo) 率 的 概 念, 構(gòu) 建 出 了LED 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 分 布 模 型, 并 結(jié) 合 實 驗 驗 證 了 該 模 型 的 有 效 性 13 。 本 文 以 在 現(xiàn) 代 溫 室 內(nèi) 使 用 的 植 物 生 長 用 LED 燈 具 的 環(huán) 境 特 殊 性 為 切 入 點, 通 過 熱 傳 導(dǎo) 流 入 肋 片 熱 量 與 通 過 空 氣 與 肋 片 間 的 對 流 所 散 出 的 熱 量 及 濕 空 氣 凝 結(jié) 所 需 熱 量 之 和 相 等 作 為 條 件, 分 別 討 論 翅 片 串 接 與 翅 片 并 接 兩 種 情 形, 以 熱 流 傳 遞 的 連 續(xù) 性 作 為 關(guān) 聯(lián) 條 件, 并 通 過 結(jié) 構(gòu) 基 座 的 溫 差 及 翅 片 頂 端 的 熱 流 為 零 這 一 求 解 條 件, 推 導(dǎo) 出 了 整 個 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 計 算 求 解 方 程。 同 時 通 過 實 驗 驗 證 了 所 構(gòu) 建 的 溫 室 的 物 理 仿 真 模 型 的 正 確 性, 而 后 通 過 該 仿 真 模 型 對 溫 室 內(nèi) 的 難 解 空 氣 常 數(shù) 進(jìn) 行 求 解, 對 散 熱 模 型 計 算 提 供 了 數(shù) 據(jù) 支 撐。 并 以 某 型 植 物 用LED 燈 具 的 鋁 制 散 熱 結(jié) 構(gòu) 作 為 分 析 對 象, 通 過 實 驗 和 仿 真 與 計 算 模 型 求 解 值 進(jìn) 行 了 對 比, 驗 證 本 文 所 構(gòu) 建 的 計 算 模 型 的 正 確 性。 對 實 際 的LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計 提 出 了 一 種 具 備 一 定 可 操 作 性 的 解 決 方 法。 2 濕 工 況 溫 度 分 布 計 算 模 型 對LED 燈 具 在 濕 空 氣 中 使 用 矩 形 直 肋 散 熱 結(jié) 構(gòu) 進(jìn) 行 散 熱 的 熱 穩(wěn) 態(tài) 進(jìn) 行 分 析, 并 作 出 如 下 假 設(shè) 以 便 于 對 關(guān) 鍵 問 題 進(jìn) 行 分 析: (1) 散 熱 結(jié) 構(gòu) 材 質(zhì) 各 向 同 性, 導(dǎo) 熱 率 不 隨 方 向 發(fā) 生 改 變, 且 水 汽 的 凝 結(jié) 潛 熱 是 不 變 的； (2) 與 流 經(jīng) 翅 片 側(cè) 面 的 熱 量 相 比, 流 經(jīng) 翅 片 最 外 邊 的 熱 量 忽 略 不 計； (3) 因 氣 流 導(dǎo) 致 的 空 氣 壓 降 影 響 忽 略 不 計； (4) 忽 略 輻 射 散 熱 效 應(yīng)； (5) 翅 片 內(nèi) 部 自 身 沒 有 熱 源； (6) 流 入 與 流 出 翅 片 的 熱 量 與 翅 片 與 環(huán) 境 溫 度 的 溫 差 呈 正 比。 2.1 散 熱 結(jié) 構(gòu) 熱 流- 溫 度 分 布 模 型 圖1 給 出 了 矩 形 截 面 的 直 翅 肋 片 的 典 型 結(jié) 構(gòu),其 中x=t 頂 端,x=b 底 部, 以 頂 部 向 著 底 端 的 方 向 為x 軸 正 方 向。 LED 燈 具 在 通 過 矩 形 直 肋 散 熱 結(jié) 構(gòu) 與 濕 空 氣 進(jìn) 行 換 熱, 同 時 存 在 著 換 熱 與 傳 質(zhì) 過 程。 通 過 對 流 帶 走 翅 片 所 含 部 分 熱 能。 所 以 根 據(jù) 傅 里 葉 熱 傳 導(dǎo)、 牛 頓 冷 卻 公 式 及 文 獻(xiàn)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 為 散 熱 結(jié) 構(gòu) 所 需 耗 散 的 熱 功 率, 單 位 為W； h 為 對 流 換 熱 系 數(shù), 單 位 為W/(m 2 K)；T 為 積 分 微 元 處 的 溫 度, 單 位 為K；T a 為 散 熱 結(jié) 構(gòu) 所 處 的 環(huán) 境 溫 度, 單 位 為K；h D 為 傳 質(zhì) 系 數(shù), 單 位 為kg/ (m 2 s)；i fg 為 水 汽 凝 結(jié) 潛 熱, 單 位 為J/kg； a 為 環(huán) 境 空 氣 濕 度 比, 單 位 為kg w /kg a ； 為 翅 片 表 面 的 空 氣 濕 度 比。 第8 期 呂 北 軒, 等: 夏 季 溫 室 環(huán) 境 下 植 物 生 長 用LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 分 布 模 型 構(gòu) 建 與 驗 證 1117 H x = b x = t x = 0 L d x 圖1 典 型 矩 形 截 面 直 翅 肋 片 Fig.1 Typicalcrosssectionofrectangularstraightfins 進(jìn) 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 獻(xiàn)15 給 出, 由 劉 易 斯 數(shù) 定 義 所 得 到 的 自 然 對 流 條 件 下 的 濕 空 氣 的 對 流 換 熱 系 數(shù)h 與 傳 質(zhì) 系 數(shù)h D 之 間 的 關(guān) 系 為: h h D =c p Le 0.48 =c p D ( ) 0.48 , (3) 式 中 為 熱 擴 散 系 數(shù), 單 位 為m 2 /s；D 為 水 蒸 氣 在 空 氣 中 的 熱 擴 散 率, 單 位 為m 2 /s。 因 為H, 故 根 據(jù) 前 面 假 設(shè), 將 式(2) 化 簡, 得 到 沿 著 翅 片 縱 向 的 兩 點 間 的 溫 差 微 分 方 程 為: d 2 dx 2 - m 2 +(- a ) =0, (4) 其 中m 為 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 肋 片 參 數(shù),N 為 通 過 化 簡 得 到 的 考 慮 濕 空 氣 物 性 的 常 數(shù), 它 們 的 定 義 如 下: m = 2h k , (5) N = i fg c p Le 0.48 , (6) 對 式(6) 求 微 分, 得 到: =- N(- a )+C 1 e mx +C 2 e -mx , (7) 對 式(7) 中x 求 微 分, 有: d dx =mC 1 e mx - C 2 e -mx , (8) 由 邊 界 條 件 可 知, 結(jié) 構(gòu) 基 座 的 溫 差 b 為: (x=b) = b , 在 翅 片 頂 端 的 熱 流 為: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 點 的 溫 差 與 熱 流 作 為 初 始 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 求 解。 如 果 以 翅 片 基 座 為 例, 則 初 始 條 件 為: (x=b) = b 及q (x=b) =q b , 結(jié) 合 式(7) 與 傅 里 葉 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 慮 到 翅 片 截 面 積A=L, 則 通 過 方 程 組(9) 進(jìn) 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 將C 1 與C 2 代 回 式(9) 中, 則 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) 經(jīng) 過 化 簡, 翅 片 上 任 意 一 點 的 溫 差 可 寫 為: (x) =cosh(m(H- x) b - 1 kLm sinh(m(H- x) q b + 1 kLm cosh(m(H- x)- 1 N(- a ), (11) 對 式(11) 兩 邊 求 微 分 后 代 入 傅 里 葉 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 時, (x=0) = t 及q (x=0) =q t , 則 翅 片 頂 端 的 溫 度 與 熱 流 為: (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 與 頂 部 的 溫 度- 熱 流 關(guān) 聯(lián) 公 式 如 下: t q t = b q b +D, (14) 1118 發(fā) 光 學(xué) 報 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 聯(lián) 圖2 為n 個 翅 片 首 尾 相 連 的 簡 化 模 型, 這 里 角 標(biāo)t 表 示 著 翅 片 的 頂 部,b 表 示 著 翅 片 的 底 部。 熱 流 從 翅 片n 流 向 翅 片1。 由 于 熱 流 傳 遞 的 連 續(xù) 性, 對 于 翅 片1 與 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 圖2 n 個 翅 片 相 連 的 簡 化 模 型 Fig.2 Simplifiedmodeloffinsincascade 另 外, 由 式(11) 可 知, 對 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 對 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 條 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) 進(jìn) 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 個 翅 片 相 連, 最 后 構(gòu) 建 出 翅 片 n 底 部 與 翅 片1 頂 部 的 溫 度- 熱 流 關(guān) 聯(lián) 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 聯(lián) 圖3 表 示 翅 片m 與n 個 尺 寸 相 同 的 翅 片 相 連 的 情 形。 由 于 熱 流 傳 遞 的 連 續(xù) 性, 可 以 得 到 條 件: ta = b1 = b2 = bn 及q ta =q b1 +q b2 + q bn 。 因 這n 個 翅 片 的 尺 寸 相 同, 故 可 視 為 傳 熱 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) 對 于 翅 片a 與 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 圖3 一 個 翅 片 與n 個 翅 片 相 連 Fig.3 Simplifiedmodeloffinsincluster 3 溫 室 內(nèi) 微 氣 候 變 化 規(guī) 律 我 們 在 位 于 上 海 市 松 江 區(qū) 占 地 為8m×16m 的 溫 室 進(jìn) 行 了 相 關(guān) 實 驗, 具 體 尺 寸 如 圖4 所 示。 第8 期 呂 北 軒, 等: 夏 季 溫 室 環(huán) 境 下 植 物 生 長 用LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 分 布 模 型 構(gòu) 建 與 驗 證 1119 5 . 2 m 4 . 2 m 8 m 1 6 m 作 物 圖4 溫 室 概 圖 及 相 關(guān) 尺 寸 Fig.4 Greenhouseoverviewandrelateddimensions 3.1 溫 室 溫 度、 濕 度、 風(fēng) 速 實 際 與 仿 真 驗 證 對2017 年7 月7 日 雷 陣 雨 天 氣 下 的 溫 室 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 收 集, 運 用 溫 度、 相 對 濕 度 采 集 儀 在 離 地 面 2.5 m 的 溫 室 中 進(jìn) 行 布 置, 在 數(shù) 據(jù) 采 集 過 程 中 (700 至2000), 溫 室 處 于 開 窗 通 風(fēng) 狀 態(tài)。 并 且 結(jié) 合 當(dāng) 地 當(dāng) 天 的 氣 象 數(shù) 據(jù), 運 用COMSOLMul- tiphysics5.3 通 過 傳 熱、 空 氣 中 的 水 分 輸 送 及 流 體 湍 流 構(gòu) 建 出 溫 室 內(nèi) 的 多 物 理 場 的 耦 合, 建 立 了 溫 室 的 仿 真 模 型。 由 圖5 與 圖6 可 見, 溫 度 與 相 對 濕 度 的 仿 真 值 與 實 測 值 的 變 化 趨 勢 基 本 一 致。 對 比 兩 者 間 的 差 值, 可 知 溫 室 內(nèi) 溫 度 的 實 測 值 與 仿 真 值 的 最 大 溫 差 僅 為1.36, 最 大 相 對 誤 差 為4.58； 溫 室 內(nèi) 相 對 濕 度 的 實 測 值 與 仿 真 值 之 間 的 最 大 差 值 為 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 圖5 溫 室 內(nèi) 溫 度 的 實 測 值 與 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 圖6 溫 室 內(nèi) 相 對 濕 度 的 實 測 值 與 仿 真 值 Fig.6 Measuredandsimulatedvaluesofrelativehumidityin greenhouse 3.2, 最 大 相 對 誤 差 為4.3。 由 此 表 明, 所 建 的 溫 室 仿 真 模 型 的 精 度 較 高, 可 以 較 為 全 面 地 反 映 溫 室 的 實 際 情 況。 3.2 溫 室 內(nèi) 燈 具 安 裝 位 置 的 自 然 對 流 環(huán) 境 分 析 由 格 拉 曉 夫 數(shù) 的 定 義 式 知: Gr = gL 3 T 2 , (25) 文 獻(xiàn)16 中 給 出 了K Gr 數(shù) 在3×10 9 2×10 10 范 圍 內(nèi) 的 努 塞 爾 數(shù) 的 計 算 公 式: Nu =0.0292×(GrPr) 0.39 , (26) 由 努 賽 爾 數(shù) 的 定 義 式 知: Nu = hL k , (27) 根 據(jù) 所 建 立 的 溫 室 仿 真 模 型, 以1400 作 為 時 間 節(jié) 點, 此 時 溫 室 內(nèi), 在 燈 具 安 裝 位 置 達(dá) 到 當(dāng) 天 的 最 高 溫 度36, 相 對 濕 度 為85, 屬 于 植 物 生 長 用 LED 燈 當(dāng) 天 工 況 最 為 惡 劣 的 情 況。 取 特 征 長 度L 為3m( 從 作 物 頂 部 至 溫 室 頂 部 的 距 離), 并 在 COMSOL 中 得 到 了 濕 空 氣 的 相 關(guān) 物 理 參 數(shù), 如 表 1 所 示。 然 后 根 據(jù) 公 式(25)、(26) 及(27) 計 算 得 到 此 時 溫 室 內(nèi) 的 對 流 換 熱 系 數(shù) 為1.85W/(m 2 K), 以 該 物 理 量 表 征 溫 室 內(nèi) 自 然 對 流 情 況。 表1 濕 空 氣 物 理 參 數(shù) 及 其 他 相 關(guān) 參 數(shù) Tab.1 Wetairphysicalparametersandotherrelevantparameters 符 號 意 義 數(shù) 值 單 位 濕 空 氣 運 動 粘 度 1.676×10 -5 m 2 /s 濕 空 氣 體 積 膨 脹 系 數(shù) 3.235×10 -3 1/K Pr 濕 空 氣 普 朗 特 數(shù) 0.6987 1 k 濕 空 氣 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 0.0278 W/(mK) T 溫 室 內(nèi) 上 下 參 考 面 間 溫 差 3.238 K L 特 征 長 度 3 m 1120 發(fā) 光 學(xué) 報 第39 卷 4 植 物 生 長 用LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 圖7 為 該 型LED 植 物 補 光 燈 及 其 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 示 意 圖。 為 了 達(dá) 到 給 定 面 積 下 的 光 合 光 量 子 通 量 密 度, 需 將 紅 藍(lán) 比 設(shè) 為41, 由150 顆1WLED 芯 片 構(gòu) 成 的LED 植 物 補 光 燈 安 裝 在 溫 室 內(nèi) 距 離 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 圖7 LED 植 物 補 光 燈 及 其 散 熱 結(jié) 構(gòu) Fig.7 LEDlampforplantgrowthanditsheatsink 5 驗 證 分 析 5.1 實 驗 與 仿 真 我 們 在 對 當(dāng) 天 溫 室 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 采 集 的 同 時, 也 進(jìn) 行 了 實 際 燈 具 的 使 用 實 驗, 并 通 過 紅 外 熱 像 儀 對 使 用 過 程 中 的 關(guān) 鍵 溫 度 節(jié) 點 進(jìn) 行 了 數(shù) 據(jù) 采 集。 此 外, 運 用ANSYSIcepak 對 處 于 溫 室 環(huán) 境 內(nèi) 環(huán) 境 溫 度 為36、 相 對 濕 度 為85 的LED 燈 具 進(jìn) 行 仿 真, 以LED 芯 片 轉(zhuǎn) 換 效 率 為20 計 算, 相 關(guān) 的 結(jié) 構(gòu) 組 件 及 其 熱 性 能 如 表2 所 示。 表2 主 要 部 件 材 料 及 熱 性 能 參 數(shù) Tab.2 Maincomponent'smaterialsandthermalperformanceparameters 元 件 材 質(zhì) 密 度/(kgm -3 ) 導(dǎo) 熱 率/(Wm -1 K -1 ) 比 熱 容/(Jkg -1 K -1 ) 散 熱 結(jié) 構(gòu) 擋 板 6063 鋁 合 金 2690 202 900 LED 芯 片 半 導(dǎo) 體 材 料 6150 130 417 PCB 金 屬 基 覆 銅 板 1250 0.35 1300 反 光 罩 聚 碳 酸 酯 1200 0.19 1172 密 封 橡 膠 聚 四 氟 乙 烯 2200 0.24 960 壓 蓋 304 不 銹 鋼 7930 16.3 500 5.2 結(jié) 果 分 析 LED 芯 片 產(chǎn) 生 的 熱 功 耗, 通 過 如 圖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” 這7 條 熱 路, 通 過 散 熱 結(jié) 構(gòu) 將 熱 量 導(dǎo) 出 到 環(huán) 境 中。 因 該 型 散 熱 片 呈 典 型 的 對 稱 結(jié) 構(gòu), 故 僅 對6 個 翅 片 組 的 圖8 仿 真 所 得 到 的 散 熱 結(jié) 構(gòu) 各 個 節(jié) 點 的 溫 度 分 布 Fig.8 Temperaturedistributionandeachnodeofheatsinkbysimulation 第8 期 呂 北 軒, 等: 夏 季 溫 室 環(huán) 境 下 植 物 生 長 用LED 燈 具 散 熱 結(jié) 構(gòu) 的 溫 度 分 布 模 型 構(gòu) 建 與 驗 證 1121 一 組 進(jìn) 行 分 析 以 減 少 計 算 量。 由 熱 像 儀 測 得 散 熱 結(jié) 構(gòu) 底 部 的 溫 度 為70.4, 故 而 可 知 散 熱 結(jié) 構(gòu) 底 部 與 環(huán) 境 溫 度 的 溫 差 為34.4, 為 計 算 簡 便 取 b =34.5。 而 后 以 底 部 溫 差 b =34.5 及 翅 片 末 端 的 熱 流q=0 作 為 求 解 條 件, 進(jìn) 而 解 得 散 熱 結(jié) 構(gòu) 各 個 關(guān) 鍵 節(jié) 點 的 溫 度。 運 用MATLAB 對 本 文 所 構(gòu) 建 的 數(shù) 學(xué) 模 型 進(jìn) 行 數(shù) 值 求 解, 對 仿 真 與 實 驗 對 散 熱 結(jié) 構(gòu) 關(guān) 鍵 節(jié) 點 的 溫 度 值 進(jìn) 行 對 比, 具 體 數(shù) 值 如 表3 所 示。 圖8 為 通 過ANSYSIcepak 的“Surface-Probe” 命 令 得 到 的 散 熱 結(jié) 構(gòu) 溫 度 分 布 云 圖 及 關(guān) 鍵 節(jié) 點 溫 度。 通 過 表3 和 圖8 可 知, 計 算 值 與 實 驗 值 及 仿 真 值 的 相 對 誤 差 均 在5 以 內(nèi), 驗 證 了 本 文 所 構(gòu) 建 數(shù) 學(xué) 模 型 的 正 確 性。 表3 散 熱 結(jié) 構(gòu) 上 各 點 溫 度 Tab.3 Temperatureoftheeachnodeofheatsink 節(jié) 點 實 驗 值/ 計 算 值/ 與 實 驗 的 相 對 誤 差 仿 真 值/ 與 仿 真 的 相 對 誤 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 結(jié) 論 本 文 以 熱 傳 導(dǎo)</p>
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