热-电-力多场全耦合的近场动力学理论研究

【作者】 Migbar Zeleke Assefa； 刘立胜； 廖洋；

【机构】 武汉理工大学理学院力学系；

【摘要】 热电发电技术是中国可持续发展与新能源发展战略的重要基础。热电发电技术主要依靠的是热电器件在温差作用下,由热电效应实现热能与电能之间的相互转换。采用经典理论对热电器件进行研究时,无法考虑材料内部缺陷的影响。由于传统方法建立在以偏微分方程为基础的连续介质力学基础上,在裂纹尖端附近,热场、电场和应力场将出现奇异性。为了解决传统方法的上缺陷,本文提出了基于近场动力学方法的热电力全耦合理论。在本文中,利用近场动力学理论,我们首先采用近场动力学非局域积分方程替代传统理论中温度场与电势场的微分方程,并推导得出热电耦合理论的平衡方程与本构方程。通过将热源用近场动力学材料点进行描述,并假设热源之间的相互作用成对出现,可分别定义热导键和电导键,进而实现热流和电流的交换。此外,本文基于热力学原理,推导了考虑热电力全耦合的近场动力学本构模型和自由能函数表达形式。为了证明所提出的近场动力学模型的有效性,采用本文提出的热电耦合模型进行了数值模拟验证。结果表明,本文的数值结果与有限单元解吻合良好。最后,利用本文提出的热-电-力多场耦合模型对典型热电器件进行了近场动力学建模及模拟验证。结果显示,本文提出的多场耦合模型能够适用于多场耦合作用下的动态裂纹问题。更多还原