为了实现高功率半导体激光器连续泵浦源输出，设计一种使用微通道热沉封装多个单管半导体激光器的堆叠结构。基于有限元分析，此结构可以通过辅助热沉和微通道内部圆柱翅片扩展单管半导体激光器的传热渠道，与传统凹槽微通道相比，热传导效果有所增强，优化提出斜翅片结构，控制水流速，调节流体流动从而产生混流效应，进一步改善微通道散热性能，对其封装下的多单管进行功率拟合，理论最大输出功率可达128.75 W，在微通道热沉所需制冷功耗较低的前提下，可以实现多单管半导体激光器连续工作模式下泵浦且满足其散热需求。

为了有效提高微通道散热器的散热性能, 设计了一种含有类水滴状微结构的微通道散热器,并采用仿真模拟方法研究了微通道内类水滴状微结构的数量和高度变化对微通道的压力损失和散热性能的影响。在热流密度为100W/cm2, 入口端流体速度为1m/s的条件下, 设计了9组不同的含类水滴状微结构微通道。其中的5组通过改变单条微通道内类水滴状微结构的数量进行研究, 得出当微结构数量为7时微通道的综合散热性能最优, 其微通道底面平均温度下降了18.42K, 散热系数提高了37.63%。同时在微结构数量为7的基础上再次设计4组微通道, 研究了微结构的高度对微通道散热性能的影响, 得出当各微结构的高度沿流体流动方向逐次增高时, 散热系数几乎不变, 压力损失降低了11.93%。

多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法, 但其存在封装方式单一、体积大等问题, 难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构, 通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间, 使得器件更加小型化, 在充分利用单管半导体激光器优势的同时, 既增加了单管半导体激光器的散热通道, 又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟, 将光束耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 可以达到28.6 W的激光输出, 耦合效率为95%。

为使边发射高功率单管半导体激光器有源区温度降低, 增加封装结构的散热性能, 降低器件封装成本, 提出一种采用高热导率的石墨片作为辅助热沉的高功率半导体激光器封装结构。利用有限元分析研究了采用石墨片作辅助热沉后, 封装器件的工作热阻更低, 散热效果更好。研究分析过渡热沉铜钨合金与辅助热沉石墨的宽度尺寸变化对半导体激光器有源区温度的影响。新型封装结构与使用铜钨合金作为过渡热沉的传统结构相比, 有源区结温降低4.5 K, 热阻降低0.45 K/W。通过计算可知, 激光器的最大输出功率为20.6 W。在研究结果的指导下, 确定铜钨合金与石墨的结构尺寸, 以达到最好的散热效果。

对大功率LED太阳花散热器肋片三角槽扩展表面的散热性能进行了数值模拟与分析,并对肋片长度方向的温度分布进行了实验验证。在考虑自然对流和辐射模型的条件下,研究了肋片表面三角槽的顶角α、槽宽s和槽深d对散热器肋片顶部最高温升ΔT_max、平均对流换热系数h和对流换热热阻R的影响。结果表明:顶角α在90°~120°范围内、向肋片根部倾斜的三角槽在增加散热面积的同时,改善了流场分布,从而显著地增强了太阳花散热器的散热性能;相比于槽宽s,槽深d对平均对流换热系数h影响更为显著,较小或较大的槽深会因平均对流换热系数h的大幅降低而恶化散热效果。

针对原curamik微通道热沉因进水通道流量不均而导致散热不均匀的现象，基于FLUENT软件对其进行数值模拟。从内部结构及热沉材料方面提出优化方案，并进一步获得在热沉高度和进出口宽度为固定值的条件下，微通道宽度、间距及通道脊长度3个因素分别对芯片表面温升和压降的影响规律。根据优化的参数，通过选区激光熔化技术制备获得纯镍微通道热沉并进行芯片封装测试。结果显示，微通道热沉散热均匀，热阻为0.39 K/W，压降为140 kPa，能够满足输出功率为80 W的半导体激光器单巴条芯片的散热要求。

为了研究荧光粉发热对大功率LED器件热特性的影响, 设计了五种不同荧光粉涂敷方式的大功率LED器件, 利用ANSYS软件建立热力学模型进行仿真。将模拟与实测结果进行比较, 结果表明, 铝基板底部的实测温度、透镜顶部的实测温度、芯片的计算结温与加荧光粉热载荷的模拟温度更相近, 不加荧光粉热载荷条件下的模拟温度要低于加荧光粉热载荷的模拟温度和实测温度, 并且荧光粉涂敷的量以及涂敷的方式对芯片结温、铝基板底部温度、透镜顶部温度都有影响。

为了实现大功率多芯片LED的芯片直装散热(COH)封装的高效散热，提出了一种开缝基板的新型散热结构，并运用Icepak仿真软件模拟分析了在自然对流下不同缝间距对结温、热阻、流场分布和换热特性的影响。结果表明，开缝基板能有效改善流场分布，提高表面换热系数，增加散热性能。在传导和对流的双重作用下，存在最佳缝间距使结温和热阻最低，输入功率为1 W时，结温和热阻分别降低3.2 K和1.01 K/W。随芯片输入功率的增加，开缝基板的散热效果愈发明显。同时，开缝基板的提出也节省了器件封装成本。

针对一款阵列型大功率LED投光灯的散热特点, 建立了关键散热结构的物理模型, 并基于等效热路法选用能正确表达其热传导和热对流性能的数学模型, 进而遵循本文设计的计算流程能快速计算出自然对流边界条件下的散热性能。通过与红外热像仪的实测温度进行比较, 发现二者数据吻合性好, 误差仅为+1.08%。随后经散热器关键结构参数对散热性能的影响趋势分析可以看出: 肋片间距对投光灯模型存在明显的最优选择, 宜采用5 mm的肋片间距; 增加肋片高度和减薄肋片厚度均能提升模型的散热性能, 但建议须同时考虑减重、成本和可加工性, 以获取更适宜的肋片高度(24 mm)和厚度(1~2 mm)。等效热路法可作为同类型LED灯具结构散热性能分析与优化的一种便捷而有效的研究方法。

基于北京市计算中心高性能计算仿真平台，采用Fluent、Ansys等CAE软件评测了LED的抗风载性能、散热性能。根据Google卫星照片建立天安门广场简化模型，采用流体分析Fluent计算出天安门广场的风速场场强分布，而后用流固耦合分析的方法，结合Fluent、Ansys结构分析软件分析了天安门LED屏的抗风载性能。最后对LED屏的散热性能进行模拟，得出了利亚德、勤上LED屏内部的温度场分布情况，并提出了LED屏的散热参考设计方案。