<p>第 39 卷 第 8 期2018 年 8 月發(fā) 光 學(xué) 報(bào)CHINESE JOUNAL OF LUMINESCENCEVol. 39 No. 8Aug ， 2018文章編號(hào) : 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(zhǎng)用 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布模型構(gòu)建與驗(yàn)證呂北軒1， 陳豫仁2， 熊 峰1*( 1 上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海市智能制造及機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)空氣與肋片間的對(duì)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(shí)際反映溫室環(huán)境影響下的植物生長(zhǎng)用 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布模型 。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真模擬 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算出了懸掛在溫室中部 2 5 m 高度處的 150W 植物生長(zhǎng)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(diǎn)的溫度數(shù)值 ， 并運(yùn)用紅外熱像儀 ， 對(duì)關(guān)鍵溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了收集 。數(shù)據(jù)表明 ， 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值及仿真值的數(shù)值誤差均不超過(guò) 5%， 驗(yàn)證了模型的正確性 ， 對(duì)具體的植物生長(zhǎng)用 LED 燈具的散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(lèi)號(hào) : TN3128 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : A DOI: 103788/fgxb201839081115Mathematical Calculation Model and Its Verification forTemperature Distribution of LED Lighting&#39;s Heatsinks forPlant Growth in The Summer GreenhouseLYU Bei-xuan1， CHEN Yu-ren2， XIONG Feng1*( 1 Key Laboratory of Manufacturing Intelligent and obotics of Shanghai， School of Mechatronic Engineering and Automation，Shanghai University， Shanghai 200072， China;2 Department of Electronic Information Materials， School of Materials Science and Engineering， Shanghai University， Shanghai 200072， China)* Corresponding Author， E-mail: xfeng staff shu edu cnAbstract: A mathematic model of LED heatsinks in greenhouses was established by the condition thatthe heat conducted into the fin heat equals the total heat from the air convection and the condensation ofwet air The air physical parameters under the worst condition were obtained by the physical simulationmodel of the greenhouse environment established by experiment and simulation After obtaining the spe-cific air physical parameters， combined with the constructed mathematical model， the temperature valuesof the key nodes of a 150 W plant growth LED lamp&#39;s heatsink suspended at the height of 25 m in themiddle of the greenhouse were calculated in the worst case The correctness of the model was verified byexperiment and simulation， the data show that the relative error is not more than 5%， thus this has apositive effect for the design of LED lamps&#39; heatsink for greenhouseKey words: LED heat dissipation; optical device; mathematical model of temperature distribution; greenhouse envi-ronment; numerical simulation1116 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷1 引 言在設(shè)施農(nóng)業(yè)中 ， 植物生長(zhǎng)用 LED 燈常采用大功率瓦數(shù)以滿(mǎn)足作物所需光合光量子通量密度 ，且為滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng) ， 溫室往往采用滴灌 、霧培等方式對(duì)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(zhǎng)用 LED 燈具需在高濕度及高環(huán)境溫度且弱對(duì)流的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工作 ， 使用環(huán)境較為惡劣 。當(dāng)前 ， 對(duì)于植物生長(zhǎng)用 LED 光照的研究集中在 LED 對(duì)于特定植物生長(zhǎng)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(zhǎng)用 LED散熱方面的研究 ， 植物生長(zhǎng)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(jì) 6。但當(dāng)前散熱結(jié)構(gòu)多以模仿改進(jìn) 、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)并沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 。故此 ， 提出一個(gè)可以合理反映散熱結(jié)構(gòu)溫度分布的計(jì)算模型 ， 對(duì)設(shè)計(jì) LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)具有積極的意義 ?？偨Y(jié)相關(guān)國(guó)內(nèi)外學(xué)者近 5 年內(nèi)相關(guān)研究成果如下 : 國(guó)外方面 ， Avram 運(yùn)用最少材料法根據(jù)組合努賽爾數(shù)的實(shí)驗(yàn)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(jì) 8。Park 從結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)散熱片表面努賽爾數(shù)及熱輻射率的影響作為切入點(diǎn) ， 得到該類(lèi) 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( SM) 對(duì)改進(jìn)開(kāi)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(guó)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(duì)流共同作用的溫度分布計(jì)算模型 ， 并通過(guò)迭代計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性 11?？讈嗛岢隽嘶陂]環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的 LED的功率 -結(jié)溫模型 ， 并通過(guò) LM-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性與準(zhǔn)確性 12。孫歷霞通過(guò)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(zhǎng)用LED 燈具的環(huán)境特殊性為切入點(diǎn) ， 通過(guò)熱傳導(dǎo)流入肋片熱量與通過(guò)空氣與肋片間的對(duì)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(guò)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(gè)散熱結(jié)構(gòu)的溫度計(jì)算求解方程 。同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所構(gòu)建的溫室的物理仿真模型的正確性 ， 而后通過(guò)該仿真模型對(duì)溫室內(nèi)的難解空氣常數(shù)進(jìn)行求解 ， 對(duì)散熱模型計(jì)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(duì)象 ， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真與計(jì)算模型求解值進(jìn)行了對(duì)比 ， 驗(yàn)證本文所構(gòu)建的計(jì)算模型的正確性 。對(duì)實(shí)際的 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)算模型對(duì) 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(duì)關(guān)鍵問(wèn)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(jì) ;( 3) 因氣流導(dǎo)致的空氣壓降影響忽略不計(jì) ;( 4) 忽略輻射散熱效應(yīng) ;( 5) 翅片內(nèi)部自身沒(méi)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 。21 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?yàn)?x 軸正方向 。LED 燈具在通過(guò)矩形直肋散熱結(jié)構(gòu)與濕空氣進(jìn)行換熱 ， 同時(shí)存在著換熱與傳質(zhì)過(guò)程 。通過(guò)對(duì)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·( Ta T) +2·( H + ) ·hD·ifg·( 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(duì)流換熱系數(shù) ， 單位為 W/( m2·K) ; T 為積分微元處的溫度 ， 單位為 K; Ta為散熱結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度 ， 單位為 K; hD為傳質(zhì)系數(shù) ， 單位為 kg/( m2·s) ; ifg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 kgw/kga; 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(zhǎng)用 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布模型構(gòu)建與驗(yàn)證 1117H啄x=b x=tx=0Ldx圖 1 典型矩形截面直翅肋片F(xiàn)ig1 Typical cross section of rectangular straight fins進(jìn)一步得到 :kHdTdxdTd xdx = 2h( H + ) ( T Ta) dx +2·( H + ) ·hD·ifg·( 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(duì)流條件下的濕空氣的對(duì)流換熱系數(shù) h 與傳質(zhì)系數(shù) hD之間的關(guān)系為 :hhD= cp·Le0 48= cp·( )D0 48， ( 3)式中 為熱擴(kuò)散系數(shù) ， 單位為 m2/s; D 為水蒸氣在空氣中的熱擴(kuò)散率 ， 單位為 m2/s。因?yàn)?H， 故根據(jù)前面假設(shè) ， 將式 ( 2) 化簡(jiǎn) ， 得到沿著翅片縱向的兩點(diǎn)間的溫差微分方程為 :d2dx2 m2 + ·( a) = 0， ( 4)其中 m 為散熱結(jié)構(gòu)的肋片參數(shù) ， N 為通過(guò)化簡(jiǎn)得到的考慮濕空氣物性的常數(shù) ， 它們的定義如下 :m =2·hk·槡， ( 5)N =ifgcpLe0 48， ( 6)對(duì)式 ( 6) 求微分 ， 得到 : = N·( a) + C1emx+ C2emx，( 7)對(duì)式 ( 7) 中 x 求微分 ， 有 :ddx= m C1emx C2emx， ( 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ddxx =0=0。故此 ， 本微分方程可以翅片上任意一點(diǎn)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)= qb， 結(jié)合式 ( 7) 與傅里葉公式 ， 得到 :emxemx N·( a)kAmemH kAmemH 0·C1C21=bq b， ( 9)考慮到翅片截面積 A =·L， 則通過(guò)方程組 ( 9) 進(jìn)行求解 ， 有C1=kLm· b+N·( a) ·e mH+qb·e mH2kLm及 C2=kLm· b+N·( a) ·emHqb·emH2kLm。然后將 C1與 C2代回式 ( 9) 中 ， 則有 :( x) =em( Hx)+ em( Hx) 2·b1kLm·em( Hx) em( Hx) 2·qb+N·( a)kLm·em( Hx)+ em( Hx)2 N·( a) ， ( 10)經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn) ， 翅片上任意一點(diǎn)的溫差可寫(xiě)為 :( x) = cosh( m( H x) ) ·b1kLm·sinh( m( H x ) ) qb+1kLm·cosh( m( H x) ) 1 ·N( a) ，( 11)對(duì)式 ( 11) 兩邊求微分后代入傅里葉方程中 ， 得到 :q( x) = kLddx= kLm·sinh( m( H x) ) b+ cosh( m( H x) ) qb sinh( m( H x) ) ·N( a) ， ( 12)注意到 x = 0 時(shí) ， ( x =0 )= t及 q( x =0 )= qt， 則翅片頂端的溫度與熱流為 :( x = 0) = t= cosh( mH) ·b1kLm·sinh( mH ) qb+1kLm·cosh( mH) 1·N( a)q( x = 0) = qt= kLm·sinh( mH) b+ cosh( mH) qb 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 :tq t= ·bq b+ D， ( 14)1118 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷其中 =cosh( mH) 1kLm·sinh( mH) kLm·sinh( mH) cosh( mH)， D =1kHm·cosh( ml) 1 ·N( a) sinh( ml) ·N( a)。22 翅片串聯(lián)圖 2 為 n 個(gè)翅片首尾相連的簡(jiǎn)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(duì)于翅片 1 與翅片 2， 可以知道 :t2q t2=b1q b1 ( 15)茲tn=茲bn-1茲b2qbn-1qb2茲bnqtnqbn翅片n翅片 2qt2 qb1茲t2=茲b1翅片 1qt1茲t1圖 2 n 個(gè)翅片相連的簡(jiǎn)化模型Fig2 Simplified model of fins in cascade另外 ， 由式 ( 11) 可知 ， 對(duì)于翅片 1 有 :t1q t1= 1b1q b1+ D1， ( 16)同理對(duì)于翅片 2 有 :t2q t2= 2b2q b2+ D2， ( 17)由式 ( 15) 的已知條件可知 :b1q b1=t2q t2= 2b2q b2+ D2， ( 18)進(jìn)一步可以得到 :t1q t1= 1b1q b1+ D1=1t2q t2+ D1= 12b2q b2+ 1·D2+ D1，( 19)由此 ， 可以延展至 n 個(gè)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 :t1q t1= 1·2·3n·bnqb n+ 1·2n1·Dn+ + 1·2·D3+ 1·D2+ D1=·bnqb n+ D， ( 20)其中 : =1·2n， D = 1·2n 1·Dn+1·2·D3+1·D2+ D1。23 翅片并聯(lián)圖 3 表示翅片 m 與 n 個(gè)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 qta= qb1+ qb2+ +qbn。因這 n 個(gè)翅片的尺寸相同 ， 故可視為傳熱能力相同 ， 因而得到 :ta1n·qta=1 001n·taq ta=b1q b1，( 21)對(duì)于翅片 a 與翅片 1 有taq ta= a·baq ba+ Da， ( 22)t1q t1= 1·b1q b1+ D1， ( 23)由此有 :t1q t1= 1·1 001n·a·baq ba+1·1 001n·Da+ D1 ( 24)mn12圖 3 一個(gè)翅片與 n 個(gè)翅片相連Fig3 Simplified model of fins in cluster3 溫室內(nèi)微氣候變化規(guī)律我們?cè)谖挥谏虾Ｊ兴山瓍^(qū)占地為 8 m ×16 m的溫室進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn) ， 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(zhǎng)用 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布模型構(gòu)建與驗(yàn)證 11195.2m4.2m8 m16 m作物圖 4 溫室概圖及相關(guān)尺寸Fig4 Greenhouse overview and related dimensions31 溫室溫度 、濕度 、風(fēng)速實(shí)際與仿真驗(yàn)證對(duì) 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(yùn)用溫度 、相對(duì)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(guò)程中( 700至 20 00) ， 溫室處于開(kāi)窗通風(fēng)狀態(tài) 。并且結(jié)合當(dāng)?shù)禺?dāng)天的氣象數(shù)據(jù) ， 運(yùn)用 COMSOL Mul-tiphysics 53 通過(guò)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(chǎng)的耦合 ， 建立了溫室的仿真模型 。由圖 5 與圖 6 可見(jiàn) ， 溫度與相對(duì)濕度的仿真值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致 。對(duì)比兩者間的差值 ， 可知溫室內(nèi)溫度的實(shí)測(cè)值與仿真值的最大溫差僅為 136 ， 最大相對(duì)誤差為 4 58%; 溫室內(nèi)相對(duì)濕度的實(shí)測(cè)值與仿真值之間的最大差值為299:00Time(HH:MM)T/2830313233343536377:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00Ambient temperatureTemperature in the greenhouse by simulationMeasured temperature in the greenhouse圖 5 溫室內(nèi)溫度的實(shí)測(cè)值與仿真值Fig 5 Measured and simulated values of temperature ingreenhouse9:00Time(HH:MM)Relativehumidity/%0.50.60.70.80.97:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00Ambient temperatureRelative humidity in the greenhouse by simulationMeasured relative humidity in the greenhouse圖 6 溫室內(nèi)相對(duì)濕度的實(shí)測(cè)值與仿真值Fig 6 Measured and simulated values of relative humidity ingreenhouse32%， 最大相對(duì)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(shí)際情況 。32 溫室內(nèi)燈具安裝位置的自然對(duì)流環(huán)境分析由格拉曉夫數(shù)的定義式知 :Gr =gL3T2， ( 25)文獻(xiàn) 16 中給出了 KGr數(shù)在 3 ×1092 ×1010范圍內(nèi)的努塞爾數(shù)的計(jì)算公式 :Nu = 00292 × ( Gr·Pr)0 39， ( 26)由努賽爾數(shù)的定義式知 :Nu =h·Lk， ( 27)根據(jù)所建立的溫室仿真模型 ， 以 14 00 作為時(shí)間節(jié)點(diǎn) ， 此時(shí)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(duì)濕度為 85%， 屬于植物生長(zhǎng)用LED 燈當(dāng)天工況最為惡劣的情況 。取特征長(zhǎng)度 L為 3 m( 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(jì)算得到此時(shí)溫室內(nèi)的對(duì)流換熱系數(shù)為 1 85 W/( m2·K) ，以該物理量表征溫室內(nèi)自然對(duì)流情況 。表 1 濕空氣物理參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)Tab1 Wet air physical parameters and other relevant parameters符號(hào) 意義 數(shù)值 單位 濕空氣運(yùn)動(dòng)粘度 1676 ×105m2/s 濕空氣體積膨脹系數(shù) 3235 ×1031/KPr 濕空氣普朗特?cái)?shù) 0698 7 1k 濕空氣導(dǎo)熱系數(shù) 0027 8 W/( m·K)T 溫室內(nèi)上下參考面間溫差 3238 KL 特征長(zhǎng)度 3 m1120 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷4 植物生長(zhǎng)用 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)圖 7 為該型 LED 植物補(bǔ)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 4 1， 由 150 顆 1 W LED芯片構(gòu)成的 LED 植物補(bǔ)光燈安裝在溫室內(nèi)距離地面 25 m 高的位置 。458°42418605590.52914356 108711121413圖 7 LED 植物補(bǔ)光燈及其散熱結(jié)構(gòu)Fig7 LED lamp for plant growth and its heatsink5 驗(yàn)證分析51 實(shí)驗(yàn)與仿真我們?cè)趯?duì)當(dāng)天溫室數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的同時(shí) ， 也進(jìn)行了實(shí)際燈具的使用實(shí)驗(yàn) ， 并通過(guò)紅外熱像儀對(duì)使用過(guò)程中的關(guān)鍵溫度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集 。此外 ， 運(yùn)用 ANSYS Icepak 對(duì)處于溫室環(huán)境內(nèi)環(huán)境溫度為 36 、相對(duì)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(jì)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)Tab2 Main component&#39;s materials and thermal performance parameters元件 材質(zhì) 密度 /( kg·m3) 導(dǎo)熱率 /( W·m1·K1) 比熱容 /( J·kg1·K1)散熱結(jié)構(gòu)擋板6063 鋁合金 2 690 202 900LED 芯片 半導(dǎo)體材料 6 150 130 417PCB 金屬基覆銅板 1 250 035 1 300反光罩 聚碳酸酯 1 200 019 1 172密封橡膠 聚四氟乙烯 2 200 024 960壓蓋 304 不銹鋼 7 930 163 50052 結(jié)果分析LED 芯片產(chǎn)生的熱功耗 ， 通過(guò)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(guò)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu) ， 故僅對(duì) 6 個(gè)翅片組的圖 8 仿真所得到的散熱結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度分布Fig8 Temperature distribution and each node of heatsink by simulation第 8 期 呂北軒 ， 等 : 夏季溫室環(huán)境下植物生長(zhǎng)用 LED 燈具散熱結(jié)構(gòu)的溫度分布模型構(gòu)建與驗(yàn)證 1121一組進(jìn)行分析以減少計(jì)算量 。由熱像儀測(cè)得散熱結(jié)構(gòu)底部的溫度為 704 ， 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(jì)算簡(jiǎn)便取b=345 。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(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度 。運(yùn)用 MATLAB 對(duì)本文所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解 ， 對(duì)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)散熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度值進(jìn)行對(duì)比 ， 具體數(shù)值如表 3 所示 。圖 8為通過(guò) ANSYS Icepak 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(diǎn)溫度 。通過(guò)表 3 和圖 8 可知 ， 計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值及仿真值的相對(duì)誤差均在 5% 以?xún)?nèi) ， 驗(yàn)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(diǎn)溫度Tab3 Temperature of the each node of heatsink節(jié)點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)值 / 計(jì)算值 / 與實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差 仿真值 / 與仿真的相對(duì)誤差A(yù) 702 69225 1 139% 69495 1 039%B 691 68413 6 099% 68782 7 054%C 685 67624 1 128% 68395 3 113%D 683 67326 4 143% 68023 8 103%E 681 65812 6 336% 67792 3 292%F 679 67213 5 101% 67611 7 059%G 681 65763 2 343% 67555 8 265%H 682 65423 4 407% 67516 9 310%I 689 67236 6 241% 68439 4 176%J 681 65213 1 424% 67911 5 397%K 682 66562 4 240% 67986 6 209%L 681 66325 9 261% 67773 8 214%M 681 65235 7 421% 67758 3 372%N 68 65312 2 395% 67714 7 355%6 結(jié) 論本文以熱傳導(dǎo)流入肋片熱量與通過(guò)空氣與肋片間的對(duì)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 ， 從翅片散熱結(jié)構(gòu)的兩種基本連接形式 ， 構(gòu)建出了考慮環(huán)境濕度影響的散熱結(jié)構(gòu)溫度分布計(jì)算模型 。通過(guò)使用當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù) ， 結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證 ， 使用 COMSOL 構(gòu)建出了能較好地反映實(shí)際溫室情況的物理仿真模型 。并通過(guò)該模型 ，得到了植物生長(zhǎng)用 LED 工況最為惡劣情況下的環(huán)境空氣物理常數(shù) ， 并以此作為后續(xù)的驗(yàn)證分析數(shù)據(jù)支撐 。通過(guò) MATLAB 結(jié)合前期構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型及仿真所得到的溫室內(nèi)的空氣數(shù)據(jù) ， 計(jì)算出散熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)值 ， 并與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及模擬仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比 ， 其相對(duì)誤差均不超過(guò) 5%， 以此驗(yàn)證了本文所構(gòu)建的溫度分布模型的正確性 。參 考 文 獻(xiàn) : 1 SCHUBET E F， KIM JK Solid-state light sources getting smart J Science， 2005， 308( 5726) : 1274-1278 2 KWAG D S， SO S H， BAEK S M Study on thermal and structural stability of high power light-emitting diode lighting sys-tem J J Nanosci Nanotechnol ， 2014， 14( 5) : 3564-3568 3 朱舟 ， 應(yīng)盛盛 ， 胡洪鈞 ， 等 LED 植物光源陣列光照分布及均勻性研究 J 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) ， 2015， 27( 8) :1489-1493ZHU Z， YING S S， HU H J， et al Study on illumination distribution and uniformity for LED plant light source array1122 發(fā) 光 學(xué) 報(bào) 第 39 卷 J Acta Agricult Zhejiangensis， 2015， 27( 8) : 1489-1493 ( in Chinese) 4 劉彤 ， 劉雯 ， 馬建設(shè) 可調(diào)紅藍(lán)光子比例的 LED 植物光源配光設(shè)計(jì)方法 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2014， 30( 1) :154-159LIU T， LIU W， MA J S， et al Distribution design method for LED plant light source with tunable ratio of red/blue pho-tons J Trans Chin Soc Agricult Eng ， 2014， 30( 1) : 154-159 ( in Chinese) 5 徐秀知 ， 王淑凡 ， 王巍 ， 等 全數(shù)字智能 LED 植物補(bǔ)光燈控制系統(tǒng) J 天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) ， 2012， 31( 4) : 57-60XU X Z， WANG S F， WANG W， et al All-digital intelligent control system of LED plant light supplement lamp J J Tianjin Polytech Univ ， 2012， 31( 4) : 57-60 ( in Chinese) 6 劉曉英 ， 焦學(xué)磊 ， 要旭陽(yáng) ， 等 水冷式植物工廠(chǎng) LED 面光源及散熱系統(tǒng)的研制與測(cè)試 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2015，31( 17) : 244-247LIU X Y， JIAO X L， YAO X Y， et al Design and test of LED surface light source used in plant factory with water-cool-ing system J Trans Chin Soc Agricult Eng ， 2015， 31( 17) : 244-247 ( in Chinese) 7 陳杰 室內(nèi)照明用 LED 燈具散熱建模仿真及散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用研究 D 廈門(mén) : 廈門(mén)大學(xué) ， 2014: 9-10CHEN J Thermal Modeling Simulation and Application esearch on Thermal Optimization Design of Indoor Lighting LEDLamps D Xiamen: Xiamen University， 2014: 9-10 ( in Chinese) 8 YU S H， LEE K S， YOOK S J Optimum design of a radial heat sink under natural convection J Int J Heat MassTransfer， 2011， 54( 11) : 2499-2505 9 MIN W J， JEON S W， KIM Y Optimal thermal design of a horizontal fin heat sink with a modified-opening model mount-ed on an LED module J Appl Therm Eng ， 2015， 91: 105-115 10 SUN L， ZHU J， WONG H Simulation and evaluation of the peak temperature in LED light bulb heatsink J Microelec-tron eliab ， 2015， 61: 140-144 11 張建新 ， 牛萍娟 ， 李紅月 ， 等 基于等效熱路法的 LED 陣列散熱性能研究 J 發(fā)光學(xué)報(bào) 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183-186YANG S M， TAO W Q Heat Transfer M Beijing: Higher Education Press， 1998: 183-186 ( in Chinese)呂北軒 ( 1990 ) ， 男 ， 遼寧朝陽(yáng)人 ，碩士研究生 ， 2012 年于上海電機(jī)學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位 ， 主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)理論及 LED 散熱技術(shù)方面的研究 。E-mail: shurobots126 com熊峰 ( 1974 ) ， 男 ， 重慶人 ， 博士 ， 副研究員 ， 碩士生導(dǎo)師 ， 2001 年于重慶大學(xué)獲得博士學(xué)位 ， 主要從事智能制造技術(shù)及 LED 照明系統(tǒng)的研究 。E-ma</p>