Синтез структури вирішувача системи математичного моделювання OpenFOAM для аналіза теплового режиму світлодіодного світильника
Анотація
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.
Посилання
Markova S., Turkin A. [Current applications of high-power LEDs]. Solid-State Lighting Magazine, 2016, no.3, pp. 56–62. https://www.prosoft.ru/cms/f/468322.pdf (Rus)
Yurtseven M.B., Mete S., Onaygil S. The effects of temperature and driving current on the key parameters of commercially available, high-power, white LEDs. Lighting Res. Technol., 2015, vol. 48, no. 8, pp. 943-965. https://doi.org/10.1177/1477153515576785
Schutt Ekaterina. Thermal management and design optimization for a high power LED work light. Degree Thesis. ARCADA, Plastics Technology, 2014, pp. 1-72. https://www.theseus.fi/bitstream/handle/10024/80460/Schutt_Ekaterina.pdf
LED Thermal Management. LED professional Review. 2009, iss. 13, pp. 1-64. https://www.led-professional.com/downloads/LpR_13_468932.pdf
Thermal Management of Cree XLamp LEDs. Application Note. Cree, Inc., 2019, 19 p. https://www.cree.com/led-components/media/documents/XLampThermalManagement.pdf
Rait M. [LEDs in CSP packages for solid state lighting systems]. CHIP NEWS Ukraine, 2016, no. 6 (156), pp. 38-40. http://www.lightingmedia.ru/netcat_files/File/20(2).pdf (Rus)
Yusupov S. [LEDIL optics for modules with Flip-Chip LEDs]. Sovremennaya Svetotekhnika, 2015, no. 6, pp. 24-25. http://www.lightingmedia.ru/netcat_files/File/24(1).pdf (Rus)
Ying S. P., Shen W. B. Thermal analysis of high-power multichip COB light-emitting diodes with different chip sizes. IEEE Trans. Electron Devices, 2015, vol. 62, no. 3, pp. 896-901. https://doi.org/10.1109/TED.2015.2390255
Schneider M., Leyrer B., Herbold C., Maikowske S. High power density LED modules with silver sintering die attach on aluminum nitride substrates. 2014 IEEE 64th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2014, pp. 203-208. https://doi.org/10.1109/ECTC.2014.6897289
Wu Y., Tang Y., Li Z., Ding X., Yuan W., Zhao X., Yu B. Experimental investigation of a PCM-HP heat sink on its thermal performance and antithermal-shock capacity for high-power LEDs. Appl. Therm. Eng., 2016, vol. 108, pp. 192-203. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.07.127
Nikolaenko Yu.E., Kravets V.Yu., Naumova A.N. Baranyuk A.V. Development of the ways to increase the lighting energy efficiency of living space. International Journal of Energy for a Clean Environment, 2017, vol.18, iss. 3, pp. 275-285. https://doi.org/10.1615/InterJEnerCleanEnv.2018021641
Nikolaenko Yu.E., Pekur D.V., Sorokin V.M. Light characteristics of high-power LED luminaire with a cooling system based on heat pipe. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2019, vol. 22, no. 3, pp. 366-371. https://doi.org/10.15407/spqeo22.03.366
Lozovoi M. A., Nikolaenko Yu. E., Rassamakin B.M., Khairnasov C. M. [Research on thermal characteristics of heat pipes for LED lightning devices]. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2014, no. 5-6, pp. 32-38. https://doi.org/10.15222/TKEA2014.2.32 (Rus)
Sobyanin I.V. [Solving the problem of determining the temperature field of a plate with a heat source in the OpenFOAM mathematical modeling system with the laplacianfoam solver]. 23rd International Youth Forum "Radioelectronics and Youth in the XXI century". Vol. 2. Kharkiv National University of Radio Electronics, 2019, pp. 5-6. https://nure.ua/wp-content/uploads/workshop/konferentsiia-avtomatyzovani-systemy-ta-kompiuteryzovani-tekhnolohii-radioelektronnoho-pryladobuduvannia-.pdf (Rus)
ANSYS Multiphysics. Thermal management [Electronic resource]. https://www.ansys.com/products/platform/multiphysics-simulation/thermal-management (Date of the application 14.11.2019).
SOLIDWORKS Flow Simulation. Heat conduction in solids [Electronic resource]. https://www.solidworks.com/product/solidworks-flow-simulation (Date of the application 14.11.2019).
ELMER. Application examples [Electronic resource]. https://www.csc.fi/web/elmer/application-examples (Date of the application 14.11.2019).
COMSOL Heat Transfer Module [Electronic resource]. https://www.comsol.com/heat-transfer-module (Date of the application 14.11.2019).
OpenFOAM. The open source CFD toolbox [Electronic resource]. http://www.openfoam.com (Date of the application 14.11.2019).
Shekhovtsova V.I. [Selection problem and evaluation criteria for computer aided design] Visnyk NTU "KHPI", 2014, no. 26 (1069), pp. 101-108. http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/9299/1/vestnik_HPI_2014_26_Shekhovtsova_Problema.pdf (Ukr)
Trofimov V. E., Pavlov A. L., Mamykin Y. G. CAD/CAE method of solving the hydrodynamic problem while developing powerful electronic devices. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 2, pp. 33-41. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.2.33
OpenFOAM. The open source CFD toolbox laplacianFoam [Electronic resource]. https://www.openfoam.com/documentation/guides/latest/doc/guide-applications-solvers-basic-laplacianFoam.html (Date of the application 14.11.2019).
OpenFOAM. The open source CFD toolbox chtMultiRegionFoam [Electronic resource]. https://www.openfoam.com/documentation/guides/latest/doc/guide-applications-solvers-heat-transfer-chtMultiRegionFoam.html (Date of the application 14.11.2019).
Lazarev T.V. [Thermoelectric state simulation using OpenFOAM]. Bulletin of NTUU "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Series "Chemical engineering, ecology and resource saving", 2013, no. 1, pp. 26-30. (Ukr)
M. de Groot. Flow prediction in brain aneurysms using OpenFOAM. September 2, 2014 [Electronic resource]. https://www.utwente.nl/en/eemcs/sacs/teaching/Thesis/masterthesis_meindert_de_groot.pdf (Date of the application 14.11.2019).
Juan Marcelo Gimenez, Axel Larreteguy, Santiago M'arquez Dami'an, Norberto Nigro. Short course on OpenFOAM development. ENIEF 2014. Instituto Balseiro, Bariloche, Argentina, September 2014 [Electronic resource]. https://cimec.org.ar/foswiki/pub/Main/Cimec/CursoCFD/OF_Developers_Course.pdf (Date of the application 14.11.2019).
Bernhard F.W. Gschaider. README for swak4Foam [Electronic resource]. https://openfoamwiki.net/images/e/e6/Swak4Foam_README.pdf (Date of the application 14.11.2019).
Dulnev G.N., Semyashkin E.M. Teploobmen v radioelektronnykh apparatakh [Heat transfer in electronic devices]. Leningrad, Energiya 1968, 360 p. (Rus)
High Voltage LED Series Chip on Board. LC009D-Gen.2. Product Family Data Sheet Rev.1.8, 2017.08.14, 15 p. https://4donline.ihs.com/images/VipMasterIC/IC/SAMS/SAMS-S-A0003497324/SAMS-S-A0003497324-1.pdf
Авторське право (c) 2019 Собянін І. В., Трофімов В. Є.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
