Синтез структуры решателя системы математического моделирования OpenFOAM для анализа теплового режима светодиодного светильника

Abstract

Для анализа теплового режима светодиода и разработки конструкции теплоотвода теплонагруженного светодиодного светильника синтезирована структура решателя задачи, основанная на базовом решателе laplacianFoam и функциях библиотеки swak4foam системы математического мо- делирования OpenFOAM. Проведено сравнение результатов моделирования теплового режима объекта исследования, полученных при использовании модифицированного решателя, решателя проприетарной CAD/CAE-системы SolidWorks и аналитического решения. Приведен пример практического применения.

Сьогодні в різних сферах людської діяльності все частіше застосовуються світлодіодні світильники, робота яких істотно залежить від теплової потужності розсіювання і температури. У зв'язку з цим, одним з обов'язкових етапів створення таких світильників є аналіз їхнього теплового режиму, необхідний для розробки конструкції тепловідводу. В даній роботі для аналізу теплового режиму та розробки конструкції тепловідводу теплонавантажуваного світлодіодного освітлювача синтезовано структуру вирішувача задачі, яка основана на структурі базового вирішувача laplacianFoam та функціях бібліотеки swak4foam системи математичного моделювання OpenFOAM. Проведено порівняння результатів моделювання теплового режиму теплової моделі світлодіоду у вигляді пластини з прямокутним джерелом тепла, отриманих з використанням модифікованого вирішувача, вирішувача проприєтарної CAD/CAE-системи SolidWorks і аналітичного рішення. Проведено оцінку адекватності даних, отриманих із застосуванням модифікованого вирішувача, і доведено можливість його практичного застосування. Проведено аналіз теплового режиму світлодіоду Samsung LC009D, встановленого на тепловідводі, який представляє собою прямокутну пластину, одна з поверхонь якої має на собі прямі ребра. Проведено дослідження можливості використання у подібній конструкції шару клею марки Kaufer 5204 товщиною 0,1 мм теплопровідністю 1,5 Вт/(м∙К) в умовах природного повітряного охолодження поверхонь тепловідводів з коефіцієнтом тепловіддачі 10 Вт/(м2∙К). Наведено температурні поля світлодіода та тепловідвода і показано можливість ефективного використання запропонованого підходу для вирішення практичних задач, яки виникають під час розробки світлодіодних освітлювачів.

Today LED lamps are used more and more widely in various fields of human activity. The operation of LEDs substantially depends on the thermal dissipation power and temperature. In this regard, one of the mandatory stages in the process of creating such lamps is the analysis of their thermal mode, which is necessary for the development of a heat sink. In order to analyze the thermal mode and design the heat sink for powerful LED lamps, the authors synthesized the structure of the problem solver. The new structure was based on the structure of the basic laplacianFoam solver and the application of the swak4foam library functions, which is a part of the OpenFOAM computational fluid dynamics toolbox. The results of the thermal mode simulation of the LED thermal model (a plate with a rectangular heat source) obtained using a modified solver were compared with those obtained by the proprietary solver of the CAD/CAE SolidWorks system and those obtained by analytical computation. The data adequacy of the modified solver was estimated and its practical application verified. The thermal mode of the Samsung LC009D LED, which is placed on the flat-plate finned heat sink, was analyzed. The Kaufer 5204 glue ability to be used in such design with natural convection cooling of the heat sink was tested. The glue thickness was 0.1 mm and its thermal conductivity was 1,5 W/(m∙К). The heat sink’s heat transfer coefficient was 10 W/(m2∙К). The paper presents corresponding temperature distributions and shows that the new technique can be used for solving problems that arise when designing LED lamps.