热电单向耦合分析入门：Fluent实战演练

1. 提要

使用fluent和thermoelectric模块进行热电模拟，其中热电部分为单向耦合，即仅通过塞贝克效应考虑温度对电的影响。其中一些概念仅为笔者自己的理解，如有谬误欢迎各位提出讨论！

2. 基本概念

2.1 塞贝克效应

通过半导体材料两边稳定的温差能够形成电势差，又称为热电第一效应，基本公式为：
V a b = ∫ T 1 T 2 ( S B − S A ) ( T 2 − T 1 ) d T \ V_{ab} = \int_{T_1}^{T_2} (S_B-S_A)(T_2-T_1)dT\,  Vab​=∫T1​T2​​(SB​−SA​)(T2​−T1​)dT

对单个材料定义绝对塞贝克系数：
S = lim ⁡ Δ T → 0 V Δ T S=\lim\limits_{\Delta T\to0}\frac{V}{\Delta T} S=ΔT→0lim​ΔTV​

2.2 综合热电效应总结

3. 几何建模和网格划分

3.1 几何建模

几何部分设计两组pn结，外电路部分设计为一个闭环。设定上方为冷源和散热片，下方为热源。

3.2 网格划分

对于流场部分设定inflation边界层。


对于几何较为规整的pn结、电阻等部分使用扫略的网格生成方式，但是底部连接部分扫略网格出现畸变，目前还没有解决方法。

4.Fluent流场热部分求解

打开能量方程-添加材料性质-设定边界条件-设置求解方法-初始化-计算求解

接触面温度场：

5.热电耦合设置

5.1材料设置

添加单独的热电模块之后在engineering data中添加所需材料，其中pn结与电阻材料需要自定义，添加新材料后增加所需要的性质。（电阻材料除了电导率外需要再添加其他性质，否则最后计算时会出现licsence权限问题，无法计算纯电学问题）

5.2几何和网格处理

在workbench中导入和之前模型一致的几何，在model中添加材料的对应并生成自动网格（这里网格不需要与之前的网格一致，并且不需要考虑流场，可以将流体域部分以及散热片部分的几何抑制）

5.3边界条件设置与结果查看

1）在imported load中新增temperature边界条件，选中与散热片的连接面。

2）在总边界条件中增加下表面的温度条件。

3）选中一个交界面作为电势0点。


设置好边界条件后进行求解。

温度场：


电流密度：


电势场：

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