基于界面微结构模型的LED高效散热机理研究及全热链多尺度模拟

本项目以功率型LED的完整散热通路为研究对象，着眼于热封装结构中的纳米散热涂层和界面热阻问题。基于分子动力学方法和计算流体动力学方法的数值融合技术，构建考虑界面效应、宏观受热流动及辐射作用的功率型LED散热过程的全热链多尺度模型，以此研究散热通路中各种宏介观结构和条件对LED散热的影响机制。在此基础上，结合激光光热测量和电镜分析等实验手段，研究纳米涂层界面的热输运及其与宏观流动的相互作用，以及纳米表面处理工艺对微结构强化LED散热的影响规律。通过理论分析、数值计算和物理实验三种研究手段的有机结合，揭示功率型LED散热问题从微观到宏观传热过程的完整物理图像和纳米涂层强化LED散热的机理，探索高效纳米散热涂层的制备工艺和具有低界面热阻、高散热效率的新型LED热封装结构，开拓强化功率型LED散热的新途径，具有科学及工程上的双重价值。

本项目以功率型LED的完整散热通路为研究对象，深入研究散热通路中各种宏介观结构和条件对LED散热的影响机制。采用磁控溅射方法制备了具有良好片状结构和电导特性的ZnO基纳米薄膜材料。基于各向异性非平衡态分子动力学方法，模拟了气固界面的传热过程，结果显示纳米结构促进了气固分子间碰撞热传导的发生几率，增强了气固界面的热交换；同时，进行了气固界面传热的MD-FE多尺度模型探索。基于CFD方法构建起包括固体部件和外部流体空间的多物理量场耦合的LED散热全场三维数学模型，模拟分析表明外部流场结构是影响LED散热性能的重要因素之一，自然对流条件下LED器件存在单烟囱结构和多烟囱结构两种流态；而系统级散热结构是决定流场结构的关键因素，散热结构参数的变化是造成流态转换的根本原因；通过系统级散热结构改进以建立更加合理的流场结构是优化LED散热性能的有效途径。