COMSOL 薄膜热电偶仿真(四):壳电流物理场、接地边界与热电效应多层壳耦合

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本篇介绍壳电流(Current in Shells)物理场设置,以及热电效应(Thermoelectric Effect)多物理场耦合的配置方法。

1. 壳电流物理场基本设置

添加「壳电流(ecis)」物理场,边界选择所有边界(1~4)。

  • 壳类型:多层壳
  • 勾选「使用所有层」

2. 导电壳 1(Conductive Shell)

默认节点,应用于所有边界:

  • 层类型:常规
  • 面外材料方向:结合使用层合板坐标系(无更改)
  • 本构关系 Jc-E:传导模型为电导率,即 Jc = σE
  • 电导率从材料读取

3. 初始值 1

所有边界初始电势 V = 0 V。

4. 电绝缘边界

电绝缘 1:应用于所有侧边(边 1~6),模拟薄膜侧面无电流流出,电流仅在面内沿引线传导。

5. 接地边界(Ground)

接地 1:手动选择边界 1(mat6,即 NiSi 引线的冷端),设置电势为 0V。这是热电偶的参考冷端,输出电压相对于该点测量。

接地端必须选在冷端引线处,且只选一个端点,否则会造成短路。热结点区域和 NiCr 引线保持浮空,由塞贝克效应自然产生电势差。

6. 层间连续性(电流场)

与传热场对应,设置三个连续性节点保证电势和电流密度连续:

  • 连续性 1:源 = stlmat2,目标 = NiCr (mat5)
  • 连续性 2:源 = stlmat2,目标 = NiSi (mat6)
  • 连续性 3:源 = stlmat1,目标 = stlmat2

7. 热电效应多物理场耦合(核心)

添加「热电效应,多层壳 1(teels1)」多物理场耦合节点:

  • 边界选择:所有边界(1~4)
  • 勾选「仅限于分层边界」
  • 耦合接口
    • 传热:壳传热(htlsh)
    • 电磁:壳电流(ecis)
  • 壳属性:使用所有层
  • 热电属性:塞贝克系数 S_s = 来自材料

该耦合节点实现了两种物理效应的双向耦合:

  1. 塞贝克效应:温度梯度 → 电势差(Seebeck, S・∇T)
  2. 汤姆逊效应 / 焦耳热:电流 → 发热(在本模型中电流极小,焦耳热可忽略)

8. 边探针设置(结果监测)

在全局定义中创建边探针 1(edge5),用于实时监测冷端输出电势:

  • 探针类型:平均值

  • 选择:手动选择边界 4(热结点区域的某条边)

  • 表达式:V(电势)

  • 表和绘图单位:mV

  • 积分设置:方法 = 积分,积分阶次 = 4,坐标系 = 空间

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该探针在瞬态计算过程中实时输出热结点电势随时间的变化曲线,是热电偶响应特性的核心观测指标。

9. 物理场设置检查清单

表格

物理场关键边界条件备注
壳传热沉积光束功率(高斯激光)+ 对流热通量 + 热绝缘激光是唯一热源
壳电流接地(NiSi 冷端)+ 电绝缘(侧边)单端接地
热电效应耦合 htlsh 与 ecis,塞贝克系数来自材料多物理场核心
边探针监测 V,单位 mV输出热电势

下一篇介绍网格划分、瞬态研究设置与结果后处理。