COMSOL 薄膜热电偶仿真（三）：壳传热物理场配置与高斯激光脉冲沉积边界详解

 正文

本篇介绍壳传热（Heat Transfer in Shells）物理场的完整设置，重点讲解高斯激光脉冲的沉积光束功率边界条件。

1. 壳传热物理场基本设置

添加「壳传热（htlsh）」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」

• 参考温度 T_ref = 293.15 [K]（用户定义，即 20℃室温）

2. 固体 1（Solid）

默认节点，应用于所有边界：

• 层类型：常规

• 导热系数 k：来自材料

• 密度、热容等热力学参数均从材料库读取

3. 初始值 1（Initial Values）

所有边界初始温度 T2 = 293.15 [K]，即仿真开始时整个器件处于室温平衡状态。

4. 热绝缘边界

设置两类热绝缘：

• 热绝缘，界面 1：应用于「外部界面」，模拟薄膜上下表面与环境绝热（短脉冲下辐射 / 对流可忽略）；

• 热绝缘 1：应用于所有侧边（边 1~6），模拟器件侧面无热损失。

5. 层间连续性（Continuity）

由于存在多层材料堆叠与单层材料的拼接，需要设置三个连续性节点保证温度和热通量连续：

• 连续性 1：源 = 多层材料堆叠 2 (stlmat2)，目标 = NiCr (mat5)，保证环形区与 NiCr 引线之间热连续；

• 连续性 2：源 = 多层材料堆叠 2 (stlmat2)，目标 = NiSi (mat6)，保证环形区与 NiSi 引线之间热连续；

• 连续性 3：源 = 多层材料堆叠 1 (stlmat1)，目标 = 多层材料堆叠 2 (stlmat2)，保证中心圆与环形区之间热连续。编辑编辑编辑

6. 对流热通量边界

热通量，界面 2：应用于外部界面，考虑自然对流散热：

• 材料类型：固体

• 通量类型：对流热通量

• 传热系数 h = 5 W/(m²・K)（用户定义，空气自然对流典型值）

• 外部温度 T_ext = 293.15 [K]编辑

7. 沉积光束功率（Deposited Beam Power）—— 核心边界条件

这是激光加热的关键设置，应用于中心热结点顶部界面（边界 4，stlmat1）：

束流方向：

• e = (0, 0, 1)，即激光沿 Z 轴正方向垂直入射

束剖面（Beam Profile）：

• 类型：内置束剖面

• 沉积光束功率 P0 = rect1(t)[1/s]—— 由矩形波函数控制的脉冲功率

• 束原点 O = (0, 0, 1600 [nm])，即激光焦点位于薄膜上方 1.6μm 处

• 分布类型：高斯

• 标准差 σ = 5 [mm]

高斯功率密度分布公式：

\(f(O,e) = \frac{1}{2\pi\sigma^2}\exp\left(-\frac{d^2}{2\sigma^2}\right), \quad d = \frac{\|e\times(x-O)\|}{\|e\|}\)

其中 d 为平面内到束轴的径向距离，σ=5mm 决定光斑大小。编辑编辑

8. 矩形波脉冲函数（全局定义）

在全局定义→定义中创建矩形波 1（rect1）：

• 幅值：2

• 脉冲宽度：约 1 秒（从波形图可见，0~0.8s 为高电平，之后下降沿）

• 周期：由参数控制编辑

该矩形波作为激光功率的时间开关，实现脉冲激光加热。波形如下图所示（对应一维绘图组 6 的输出）：t<0 时为 0，0~0.8s 保持幅值 2，0.8s 后迅速回落至 0。

9. 关键参数总结

表格

下一篇介绍壳电流物理场与热电效应多物理场耦合。