基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果模拟_方慧.pdf

第37卷 第7期 农 业 工 程 学 报 Vol 37 No 7 212 2021年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2021 基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果模拟 方 慧 程瑞锋 仝宇欣 李 琨 1 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所 北京 100081 2 农业农村部设施农业节能与废弃物处理重点实验室 北京 100081 摘 要 为及时将LED灯管芯片产生的热量传导出去 提升LED灯的性能 延长其使用寿命 设计了一种圆形锯齿状 水冷LED灯管 并通过计算流体力学 Computational Fluid Dynamics CFD 软件构建水冷LED灯管模型 对其降温效 果进行研究 在模型中将LED灯珠芯片设置为内热源 热流密度根据灯珠的数量和电光转化效率计算 其值为 1 7 107 W m3 验证试验表明 模拟值与实测值吻合较好 最大误差为16 4 构建的CFD模型能准确模拟灯管各结构 的温度分布 利用验证的模型模拟不同水流速度对水冷LED灯管温度分布及水流压降的影响 结果表明 不同流速下水 冷LED灯管的金属散热灯罩 灯珠芯片和水流的温度分布比较均匀 表明该灯管的结构设计合理 灯珠芯片释放的热量 能很快传导到水流中并被带走 当灯管入口水流速度从0 10 m s增加到0 25 m s时 进出水温差从1 4 下降到0 5 因此 在对水冷LED灯管进行串联时 可根据进水温度和环境温度的差来计算可串接灯管数量 入口水流速度的增加亦 会增加水流阻力 根据模拟得到灯管进出水压差计算出灯管对水流的阻力系数为2 2 为水泵选型提供了依据 关键词 温度 计算流体力学 植物工厂 人工光源 模拟 水流速度 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 026 中图分类号 S625 4 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2021 07 0212 06 方慧 程瑞锋 仝宇欣 等 基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果数值模拟 J 农业工程学报 2021 37 7 212 217 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 026 http www tcsae org Fang Hui Cheng Ruifeng Tong Yuxin et al Numerical simulation of the cooling efficiency of circular serrated water cooled LEDs using CFD in plant factory J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2021 37 7 212 217 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2021 07 026 http www tcsae org 0 引 言 人工光植物工厂是一种通过对设施内温度 湿度 光照 CO2浓度以及营养液等环境要素进行高精度自动控 制 实现作物周年连续生产的高效农业系统 1 随着世界 人口 资源 环境问题的日益突出 植物工厂以传统农 业无法比拟的优势 受到世界各国的广泛重视 相关技 术迅速发展成熟 在不同领域得到了广泛应用 2 4 中国 累计推广面积达700多万平方米 1 植物工厂一般采用空调进行光 暗期变温控制 5 9 空 调热负荷的85 以上来自于人工光源在植物光期散发的 热量 尽管光源采用具有冷光源之称的LED 仍有70 以上的电能转化成热量 10 导致空调能耗占植物工厂总 能耗的15 25 11 如果未及时将这部分热量带走 热量的急剧积累会导致LED芯片温度的迅速上升 引起 发光效率下降 波长漂移 器件失效及寿命急剧减短等 一系列问题 12 13 Nadarajah等研究表明 当光源温度从 38 上升至55 时 其寿命由约50 000 h 骤降至 10 000 h 14 LED芯片产生的高温除损害元器件外 也不 收稿日期 2020 10 10 修订日期 2021 01 12 基金项目 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项 Y2020GH02 作者简介 方慧 硕士 副研究员 研究方向为设施环境模拟 Email fanghui 通信作者 李琨 博士 副研究员 研究方向为设施园艺 Email likun 利于蔬菜生产 在热辐射和热对流作用下 这些热量使 光源下方植物栽培区温度上升 降低植物水分和养分利 用效率 15 16 降低光合速率 增强暗呼吸 17 减少矿物 质吸收 18 20 增加抽薹率 叶片烧心 21 叶柄变色 22 叶片变苦 23 口感下降 24 及叶球松散 25 等症状 对植物 工厂生产和经营造成明显的负面影响 植物工厂中通常采用强制空气冷却方式将光源热量 带走 以目前主流的LED植物工厂为例 LED芯片工作 中产生的热量先以热传导的方式转移至散热片上 而后 以对流与辐射形式将热量传导至空气中 再经植物工厂 内气流运动输送至空调进行调温处理 但该过程热量转 移较为缓慢 尤其是在密集的栽培系统及蔬菜植株遮挡 情况下 正常的空气流动受阻 无风区域极易发生热量 积聚 为解决上述问题 有学者研究将通气管置于栽培 区植物上方 26 27 和下方 28 实现栽培区内垂直方向上的 气流扰动 以减少无风区域 Moon等采用降温 加热 通 风系统联合调控的混合控制策略减少植物工厂栽培架层 间及不同区域的环境差异 提高其均匀性 29 李琨等提 出了根际通风方法 使植物工厂环境空气流经水培系统 中营养液面与栽培板之间的空气层后经植物冠层下部吹 至栽培区 实现高效的通风 30 上述研究成果虽然能够 加强通风效能 缓解局部温度上升对蔬菜的负面影响 在一定程度上提高光源强制空气冷却效果 但随着植物 工厂规模的不断扩大 植物工厂内气流分布不均的状况 愈发明显 局部环境均匀性和降温效率亟待进一步提高 第7期 方 慧等 基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果模拟 213 液冷直接对光源进行冷却是一种效率更高的降温方 式 液体具有更高的导热系数与定压比热容 能大幅度降 低换热环节热阻 提高冷却效率 其散热效果比风冷方式 要强20倍以上 31 目前大功率LED光源水冷系统研究主 要集中在新型流道 换热器结构与翅片设计方面 32 较少 研究其在实际应用环境下的性能表现 刘晓英等设计了 水冷式植物工厂LED面光源及散热系统 并对其运行性 能进行了测试 发现较无水冷散热装置的散热器温度低 5 3 19 3 33 该研究仅测定了温度变化情况 并未对 其散热器设计与运行关键参数进行探索 尽管目前针对 水冷散热系统结构及模拟研究较为深入 也有部分研究 测试了水冷系统的实际降温性能 但仍然缺乏以植物工 厂实际生产应用为目标的光源水冷散热系统解决方案及 其关键参数对散热性能的影响研究 本研究针对植物工厂大规模应用设计了一种圆形锯 齿状水冷LED灯管 基于Fluent软件对灯管装置热传导 水流压降进行模拟分析 探究了同一进水温度不同流速 下灯管装置降温性能及水流的阻力系数 以期为LED补 光灯在大型植物工厂中的研究及应用提供理论依据 1 数值模拟 1 1 模型参数及运行原理 基于市售常规LED植物灯管外形规格参数 设计开 发了一种通用型圆形锯齿状水冷LED灯管 其结构如图 1所示 由水流管路 电源接口 密封盖 密封圈 固定 丝扣 金属散热管道 灯罩 LED芯片 散热铝板等构 成 LED发光芯片固定于散热铝板上 铝板嵌入到管道 一侧的凹槽中 与水管侧面紧密贴合 为增大水流与管 路的接触面积 管路内部设计为圆形锯齿状凹凸面 1 水流管路 2 电源接口 3 密封盖 4 密封圈 5 固定丝扣 6 金属散热管 道 7 灯罩 8 LED芯片 9 散热铝板 1 Water pipe 2 Power connection 3 Sealing cover 4 Sealing ring 5 Fixing screw thread 6 Metal heat dissipation pipe 7 Lamp shade 8 LED chip 9 Heat dissipation plate 图1 圆形锯齿状水冷LED灯管试验装置模型 Fig 1 Test device model of circular serrated water cooled LED 1 2 模拟方程 水冷LED灯管中LED芯片为散热源 其释放出的热 量以下述3种途径被带走 1 对流换热 一部分热量以 对流的形式传递到灯罩的空腔中 灯罩通过与空腔和环境 中的气体进行对流换热 将热量释放到室外环境中 2 热 辐射 芯片为高温固体 芯片和灯罩之间存在温差 导 致芯片一部分热量以热辐射的形式传递到灯罩 最终释 放到环境中 3 热传导 芯片的大部分热量直接传导到 散热板 再通过流动的水将热量带走 在本模拟中启动 能量项 选择k 湍流模型 34 相关控制方程为 1 动量守恒方程 x方向上 div div grad uu pu u St x W 1 y方向上 div div grad vv pv v St y W 2 z方向上 div div grad ww pu w St z W 3 式中 为水流的密度 kg m3 为水的动力黏性系数 t 为时间 s W为速度矢量 u v w分别为流体质点速 度在x y z方向上的分量 m s Su Sv Sw为源项 kg m s p为压力 Pa 2 能量守恒方程 p p div div grad TST kVT T t c c 4 式中T为温度 k为各材料的导热系数 W m cp为各材料的比热容 J kg K ST为芯片散热源项 W m3 1 3 网格划分与边界条件 为简化结构网格划分 管路与散热板间的缝隙忽略 不计 考虑为一个整体 将构建的水冷LED灯管模型输 入到ANSYS Meshing 模块中 利用Proximity and Curvature方法对几何体进行网格划分 并对LED灯株芯 片和管道近壁面网格进行加密处理 共生成1 162 800个 网格 220 881 个节点 网格最小尺寸为2 mm 利用 skewness计算出网格最大偏斜度为0 84 最小偏斜度为 1 3 10 10 平均值为0 25 网格质量可用于案例模拟分析 在边界条件设置中将管路的一端设置为进水口 Velocity inlet 另一端为设置压力出口 Pressure outlet 水流管道设计的最大承载流量为 6 kg h 进水管道直径为4 mm 则进水口的最大流速为 0 5 m s 在建筑供暖中为满足暖气管中的气泡能被水流带 走 因此设计流速一般为0 25 m s 35 在本试验中为得到 最优水流速度 设置4个速度梯度 分别为0 1 0 15 0 2和0 25 m s 管路外壳与散热板均为导热固体材料 LED灯珠芯片设置为热源 环境操作温度为植物工厂光 期控制温度 设置为24 1 3 1 进水温度计算 植物工厂光期环境温度和相对湿度分别按24 和 70 考虑 为保证水冷LED灯管无冷凝 则水流温度应 高于露点温度 其计算式为 36 2RH 19 d db dbt A B t C t 5 式中A 0 198 0 B 0 001 7 C 0 840 0 均为系数 td为 露点温度 tdb为干球温度 RH为相对湿度 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 214 通过式 5 计算得到植物工厂露点温度为17 为保 证灯管无结露 进水口水流温度应不低于露点温度 因 此 在模型中将水流入口温度设置为17 1 3 2 芯片热流密度计算 圆形锯齿状水冷LED灯管由300颗灯珠组成 灯珠 均匀排布于散热板上 总电功率为60 W 根据Nelson的 研究表明红色LED灯珠和蓝色LED灯珠的电光转化效率 分别为32 和49 37 据此 灯珠芯片的热流密度计算 式为 E e 1 6 Eq V 7 式中e为灯珠的电功率 W 为灯珠电光转化效率 E 为灯珠的热功率 W V为单个芯片的体积 m3 q为单 个芯片热流密度 W m3 结合式 6 和 7 水冷LED 灯管芯片的热流密度为1 7 107 W m3 本试验模拟计算中所涉及的材料包括气体 空气 液体 水 和固体 玻璃 铝 所有材料热物理属性 如表1所示 表1 材料热物理属性 Table 1 Thermal properties of materials 材料 Materials 密度 Density kg m 3 比热 Specific heat J kg 1 K 1 热导系数 Thermal conductivity W m 1 K 1 黏度系数 Dynamic viscosity kg m 1 s 1 热膨胀系数 Thermal expansion coefficient K 1 空气 Air 1 225 1 006 43 2 42 10 2 1 789 4 10 5 3 43 10 3 水 Water 998 2 4 182 0 6 1 003 10 3 玻璃 Glass 2 500 670 0 74 铝 Aluminum 2 719 871 202 4 1 4 计算方法 在Fluent中湍流模型选择标准k 模型 近壁面采用 Enhanced wall treatment 壁面函数 考虑壁面作用和浮 升力的作用 选择 Full buoyancy effects 同时打开能 量方程和重力项 动量 能量和黏性项都选用一阶迎风 格式 以达到更快收敛 将能量项的松弛因子设置为10 6 其余项均设置为10 3以判断结果是否收敛 1 5 模型验证 模型验证是检验数值模拟准确性的重要方式之一 相应的模型验证试验装置如图2所示 包括水箱 水泵 三通阀 节流阀 流量计和水冷LED灯管 试验用供水 水泵 型号 WS123 工作电压12V 流量 8 L min 扬程 3 m 与三通阀连接 三通阀的一端与流量计 型 号 LZM 15ZT 测量范围 0 04 0 4 m3 h 连接 另一 端与节流阀连接 通过流量计和节流阀控制流入水冷 LED灯管的水流速度 测点布置 分别在水冷LED灯管 的金属散热管侧面和玻璃灯罩侧面的中间位置及两端各 布置1个温度测点 合计6个温度测点 在水流出 入 口分别布置1个温度测点 合计2个测点 温度测量选 用铜 康铜热电偶线 其测量精度为 0 2 所有数据通 过HOBO数据采集仪 型号 UX120 014M 采集 采 集时间间隔为1 min 1 流量计 2 灯管 3 三通阀 4 节流阀 5 水泵 6 温度传感器 1 Flowmeter 2 Lamp 3 Three way valve 4 Throttle valve 5 Water pump 6 Temperature sensor 图2 水冷LED灯管验证装置整体结构 Fig 2 Overall structure of water cooled LED validation device 2 结果与分析 2 1 试验验证 为验证数值模型 测试了进水温度24 流速0 2 m s 时的水冷LED灯管各结构的温度稳定实测值 并将实测 值与模拟值进行对比 结果如表2所示 从表2可以看 出灯管各结构温度的模拟值与实测值的整体变化趋势一 致 误差范围为 0 8 16 4 其中 金属散热管外壳 表面温度的模拟值分别为25 0 25 4和25 8 对应的 实测温度值分别为24 8 26 0和26 2 模拟值与实测 值平均误差仅为1 2 灯管玻璃罩外表面温度模拟值分 别为25 5 25 3和25 0 对应的实测值分别为27 4 29 8和29 9 模拟值均低于实测值 平均误差为12 8 高于灯管金属壳的误差 其主要原因是在进行CFD模拟 时 忽略了LED芯片热辐射对玻璃灯罩温度的影响 水 流出口温度的实测值为26 0 模拟值为25 7 二者 误差较小 仅为1 2 误差范围均在20 以内 说明模 拟值与实测值吻合度较好 38 表2 水冷LED灯管温度模拟结果与实测结果对比 Table 2 Comparison of CFD results with experimental data of water cooled LED temperature 测点 Measured points 模拟值 Simulated value 实测值 Measured value 相对误差 Relative error 25 0 24 8 0 8 25 4 26 0 1 3 散热管 Cooling pipe 25 8 26 2 1 5 25 5 27 4 6 9 25 3 29 8 15 1 灯罩 Lamp shade 25 0 29 9 16 4 出口 Outlet 25 7 26 0 1 2 2 2 模拟结果与分析 为对比不同参数下的流场分布特性 设置水冷LED 灯管的对称面 YOZ 面 X 0 进水口截面 XOZ 面 Y 575 mm 出水口截面 XOZ面 Y 575 mm和灯管末 端截面 XOZ面 Y 565 mm作为流畅监测面 2 2 1 入口流速对管路压力影响 图3为进水温度为17 水流速度分别为0 10 0 15 0 20和0 25 m s时 水冷LED灯管进 出水口截 面压力云图 此时水冷LED灯管道内平均水流速度分别 第7期 方 慧等 基于CFD的植物工厂圆形锯齿状水冷LED灯管降温效果模拟 215 为0 017 0 020 0 024和0 028 m s 其水流速度非常小 速度差异不显著 随着入口流速增加 入口截面管道下 部高压区域面积增大 上部低压区域面积减少 而在出 口截面处正好相反 说明流速升高 流场的压力强度增 大 阻力也随之增大 注 进水温度为17 Note The inlet water temperature is 17 图3 不同入口流速水冷LED灯管进 出水口压力云图 Fig 3 Pressure magnitude contour of water cooled LED with different inlet water velocity 表3给出了不同进口水流速度下进出水口的压差值 当水冷LED灯装置的入口处水流速度分别为0 10 0 15 0 20和0 25 m s时 管道对水流的阻力损失分别为13 2 25 7 41 9和62 5 Pa 根据伯努利方程 流体阻力损失 与流速存在如下关系式 212P U 8 式中 P为进 出口水流压差 Pa 为灯管流道的阻力 系数 无量纲 U为水流速度 m s 对管道压差与进口 流速进行非线性二次拟合得到水冷LED灯管阻力系数 为2 2 表3 不同进口水流速度下进出水口的压差与温差 Table 3 Pressure and temperature difference between inlet and outlet at different inlet velocity 水流速度 Water flow velocity m s 1 静压差 Static pressure difference Pa 温差 Temperature difference 0 10 13 2 1 4 0 15 25 7 0 9 0 20 41 9 0 7 0 25 62 0 0 5 植物工厂中多以种植叶菜为主 光期环境温度设置 为26 39 为保证LED光源释放的热量能被水流带走 则灯管金属外壳温度应不高于环境温度 因此 在入口 流速分别为0 10 0 15 0 20和0 25 m s时 灯管能串联 的最大数量分别为6 10 12和18根 串联灯管进出口 水流压差分别达到79 2 257 502 8和1 116 Pa 2 2 2 入口流速对灯管降温效果影响 图4 显示了入口流速分别为0 10 0 15 0 20 和 0 25 m s条件下 水冷LED灯装置内的温度云图 温度 云图从上至下分为2组 分别表示灯管对称面X 0 出口 处灯管横截面Y 570 mm 2个特征面的温度分布 从图 4可以看出 沿着水流方向灯管温度逐渐升高 对比不同 流速下的灯管温度分布发现 随着入口流速的增加 灯 管装置整体区域的温度下降 降温效果变好 其原因在 于增加水流速度加快了水流与灯管接触面间的对流换 热 促进灯管热量的转移 表2给出了不同进口水流速 度下进出水口的温差值 当入口水流温度为17 水流 速度分别为0 10 0 15 0 20和0 25 m s时 进出水温差 分别为1 4 0 9 0 7和0 5 图4显示在近水流出口 的横截面上 灯管金属散热罩 灯珠芯片和水流温度分 布比较均匀 灯罩温度相对较高 注 灯管对称面 X 0 出水口处灯管截面 Y 570 mm Note Symmetry plane of lamp X 0 Lamp cross section near water outet Y 570 mm 图4 不同入口速度水冷LED灯管装置温度云图 Fig 4 Temperature magnitude contour of water cooled LED with different inlet water velocity 入口流速0 10 0 15 0 20和0 25 m s条件下灯管各 部分的温度体积加权平均值如图5所示 当进口水流速 从0 10 m s增加到0 25 m s时 灯管内空气 灯珠芯片 金属散热管和水流区域的平均温度分别下降了0 3 0 3 0 3和0 4 灯管的高温区域主要集中在灯管内空气区 域 其主要原因是外环境温度设置为24 灯罩吸收的 外部热量不能迅速被管道中的水流带走 不同入口水流 速度下灯管金属散热罩 灯珠芯片和水流区域温度差异 不显著 进一步说明了水冷LED灯管装置的散热效果较 好 LED芯片产生的热量能迅速被水流带走 图5 不同入口水流速度下水冷LED灯管装置不同区域平均温度 Fig 5 Average temperature in different part of water cooled LED with different inlet water velocity 3 结 论 本研究针对植物工厂人工光源散热量大 环控系统 农业工程学报 http www tcsae org 2021年 216 能耗高的问题 设计了一种以液体为热传导介质的通用 型水冷LED灯管 并通过CFD数字模型的构建对不同水 流情况下水冷LED灯管温度分布及水流压降的影响进行 了模拟 为实际使用中需要明确的冷却水温度 水流速度 串接数量等关键参数提供了理论依据 有效指导了水冷灯 管在植物工厂中的安装与使用 研究主要结论如下 1 通过模拟和实测进水温度为24 流速为0 2 m s 条件下LED灯管金属散热管 灯罩和出口水流温度 得 到模拟结果与试验结果百分比误差在16 4 以内 构建的 水冷LED灯管CFD模型能准确描述水流温度与速度对水 冷LED灯管的降温效果影响 为水冷LED灯管的研究及 应用提供了理论基础 2 利用验证的模型模拟不同入口速度对灯管热耗散 的影响 结果表明 入口流速的增加 加速了灯珠芯片 热量被水流带走 在入口水温为17 入口速度分别为 0 10 0 15 0 20和0 25 m s时 进出水温差分别为1 4 0 9 0 7和0 5 植物工厂中对水冷LED灯管进行串联 时 应根据进水温度和环境温度的差来计算可串接灯管 数量 3 入口流速的增加亦会增加水流阻力 本试验设计 的圆形锯齿水冷LED灯管对水流的阻力系数为2 2 在实 际植物工厂生产中 应根据水流速度和串联灯管数量计 算总水流压力损失 该计算结果可为水泵选型提供依据 参 考 文 献 1 杨其长 植物工厂 M 北京 清华大学出版社 2019 2 Ioslovich I Gutman P O Optimal control of crop spacing in a plant factory J Automatica 2000 36 11 1665 1668 3 Kato K Yoshida R Kikuzaki A et al Molecular breeding of tomato lines for mass production of miraculin in a plant factory J Journal of Agricultural and Food Chemmistry 2010 58 17 9505 9510 4 Miyagi A Uchimiya H Kawaiyamada M Synergistic effects of light quality carbon dioxide and nutrients on metabolite compositions of head lettuce under artificial growth conditions mimicking a plant factory J Food Chemistry 2017 218 561 568 5 Doo H S Bae H J Kim S J Production of Korean ginseng plants Panax ginseng C A Meyer in fully closed plant factories J Acta Horticulturae 2014 1037 777 782 6 Johkan M Shoji K Goto F et al Effect of green light wavelength and intensity on photomorphogenesis and photosynthesis in Lactuca sativa J Environmental and Experimental Botany 2012 75 128 133 7 Okamura K Matsuda Y Igari K et al The optimal harvesting time of vaccine producing transgenic lettuce cultivated in a closed plant factory J Environmental Control in Biology 2014 52 1 57 61 8 Park J Nakamura K Nishiura Y et al Cultivation of lettuce and considerations of suitable item in plant factory adopted automatic transportation system J IFAC Proceedings Volumes 2013 46 4 328 331 9 Wang J Lu W Tong Y et al Leaf morphology photosynthetic perance chlorophyll fluorescence stomatal development of lettuce Lactuca sativa L exposed to different ratios of red light to blue light J Front Plant Sci 2016 7 250 10 Lin M Chang C Horng R et al Heat dissipation perance for the application of light emitting diode J Symposium on Design Test Integration 2 Key Laboratory of Energy Conservation and Waste Management of Agricultural Structures Ministry of Agriculture and Rural Affairs Beijing 100081 China Abstract LEDs are more commonly used than fluorescent lamps in plant factories with artificial light for energy savings But the LEDs cannot convert the power to light at 100 efficiency Part of energy can be converted into heat and then be transferred to the ambient environment in terms of heat conduction radiation and convection However heat dissipation of LEDs has become a great challenge as the power increased while the volume of LEDs reduced In this study a circular serrated water cooled LED was designed to transmit the heat generated by LEDs in time for a longer service life A three dimensional Computational Fluid Dynamic CFD model was developed to assess the design where the LED bubbles were set as the internal heat source The electrical efficiency was assumed to be 32 and 49 in the red and blue LEDs respectively The heat flux of 1 7 107 W m3 was calculated according to the number of lamp beads and the electrical to light conversion efficiency The constructed grids were approximately 1 162 800 for each case including 220 881 nodes with a minimum element size of 2 mm Much finer meshes were automatically imposed near the bubbles with proximity and curvature size functions in meshing The SIMPLE was selected for the pressure velocity coupling A least square cell based scheme was used for the gradient term in spatial discretization The second order scheme was applied for the pressure term The second order upwind discretization schemes were used for momentum and energy equations whereas the first order upwind discretization schemes were used for turbulence equations mainly for higher accuracy The convergence criterion was set as 10 6 on energy and 10 3 on continuity momentum and viscous terms Inlet and outlet boundary conditions were set for the numerical solution using the velocity inlet and pressure outlet The inlet water velocity and water temperature were set as 0 2 m s and 24 respectively The simulated value of the LED water cooled lamp was close to the measured value with the maximum error of 16 4 indicating that the CFD model could accurately simulate the temperature distribution of each structure of the lamp The validated model was used to simulate the influence of different water flow velocities on the temperature distribution and water flow pressure drop in a water cooled LED lamp The results showed that the temperature distribution of bubbles and water flow was relatively uni and the structure of the lamp was reasonable The heat released by the bead chip was quickly transferred into the water flow when the inlet velocity of the lamp increased from 0 10 to 0 25 m s and the difference of water temperature between the inlet and outlet dropped from 1 4 to 0 5 Therefore a series of connected lamps were calculated according to the temperature difference between the inlet water and the ambient air when the water cooled LED lamps were connected in series The inlet flow velocity also improved the flow resistance where the resistance coefficient of lamps to the water flow was 2 2 Keywords temperature computational fluid dynamics plant factory supplementary light simulation wa