基于Voronoi图方法的近场动力学键理论及热电耦合理论研究

发布时间：2017-10-31 16:29

  本文关键词：基于Voronoi图方法的近场动力学键理论及热电耦合理论研究

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【摘要】：高效的热电器件是热电发电技术应用的核心,而热电耦合效应的精确模拟是热电器件设计的关键,为此国内外学者做了大量的研究工作,并取得了巨大的进展。但到目前为止,在宏观层面,研究工作中采用的数值方法主要是以有限元理论为代表的基于传统连续介质力学的理论,该类方法在处理连续问题时特别有效,但对于非连续场问题则显得有些乏力,如热电器件在服役过程中可能出现裂纹等现象。为此,本文采用近场动力学对热电器件设计中极为关注的热电耦合效应进行了分析,其主要研究内容如下。1.针对经典近场动力学中存在的边界效应问题,本文首次提出了一种基于Voronoi图的近场动力学键理论,该理论通过Voronoi图的方法确定粒子在求解域中的体积及粒子间的作用面。这一新的键理论不仅可以很好地解决经典近场动力学键理论中存在的边界效应问题,同时还突破了其对材料泊松比只能为固定值的限制。2.借鉴上述基于Voronoi图的键理论,建立了含Seebeck效应以及Peltier效应的传热键和导电键模型,以此为基础,结合高斯定理建立了含热电效应的热电耦合近场动力学理论。随后给出了在近场动力学理论中,热电耦合场分析时可能出现的各种边界条件的处理方法。3.详细推导了热电耦合分析的离散格式,建立了以系统矩阵为基础的热电耦合场分析方法,及针对各种边界条件的处理方法。结合算例验证了热电耦合近场动力学理论及数值方法的正确性。4.采用上述数值方法对热电器件的热电转换效率进行了数值模拟,分析了热电器件的几何特征及裂纹对热电器件的发电效率的影响规律。对于完美器件来说,热电材料的热电转换效率主要取决于半导体截面积与顶部导流板的面积之比。
【关键词】：近场动力学 边界效应 Voronoi图 热电耦合 热电效应
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM61
【目录】：

• 中文摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-15
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 热电耦合问题的研究现状和进展9-10
• 1.3 近场动力学的研究现状和趋势10-13
• 1.4 研究内容和技术路线13-15
• 第2章 基于Voronoi图的近场动力学键理论15-29
• 2.1 引言15
• 2.2 近场动力学理论及其存在的问题15-20
• 2.2.1 传统的近场动力学理论简介15-16
• 2.2.2 近场动力学中的本构方程16-18
• 2.2.3 近场动力学算法的缺陷18-20
• 2.3 近场动力学算法的修正20-28
• 2.3.1 长程力模型及平衡方程的修正20-22
• 2.3.2 基于Voronoi图的数值算法22-26
• 2.3.3 算例验证26-28
• 2.4 小结28-29
• 第3章 含热电效应的热电耦合近场动力学理论29-41
• 3.1 引言29
• 3.2 热电耦合现象29-30
• 3.3 含热电耦合现象的传热键与导电键30-31
• 3.4 热电耦合问题的平衡方程31-35
• 3.5 热电耦合场中边界问题的特殊考虑35-40
• 3.6 小结40-41
• 第4章 热电耦合近场动力学分析程序的实现41-54
• 4.1 引言41
• 4.2 数值方案41-49
• 4.2.1 系统矩阵的建立41-46
• 4.2.2 边界条件的引入46-49
• 4.3 数值计算流程49-50
• 4.4 程序有效性验证50-53
• 4.5 小结53-54
• 第5章 热电器件发电效率的近场动力学模拟54-62
• 5.1 计算模型54-56
• 5.2 粒子密度敏感性考察56-57
• 5.3 计算结果及分析57-61
• 5.3.1 热电器件温度、电势分布特性分析57-59
• 5.3.2 热电器件模型尺寸其发电效率的影响59-61
• 5.4 小结61-62
• 第6章 结论与展望62-64
• 6.1 结论62
• 6.2 展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文69
• 攻读硕士学位期间参加过的主要科研项目69

【共引文献】

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本文编号：1122905