Comsol 學習：摩擦發電模擬入門
在過去的幾十年中，我們從自然環境中獲取能源一直在吸引廣泛的研究努力，以滿足世界範圍內的能源需求。機械能如果能被有效地利用，不僅能對全球電力需求做出重大貢獻，而且還能作為移動電子設備的一種獨立和可持續的能源。摩擦起電是我們日常生活中經常遇到的一種物理現象，無論是梳頭、穿衣還是走路、開車時都時常會遇到。但是，摩擦電很難被收集和利用，因此它的價值往往被人們所忽視。然而近年來，摩擦電納米發電機以其高效、低成本、魯棒性可靠、環境友好等優點被作為一種前所未有的技術而被看好。2014年在Advanced Materials期刊上研究人員利用模擬論證了摩擦電納米發電機理論模型。
摩擦電納米發電機的發電原理是在其內部電路中，由於摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的材料薄層之間會發生電荷轉移，從而在二者之間形成電勢差。在其外部電路中，電子在電勢差驅動下，在分別粘貼在摩擦電材料層背面的兩個電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。摩擦電納米發電機的需求非常廣泛，例如給主動感知的機器人供電。各種主動感知和響應的軟機器人都是通過自供電的主動摩擦電動機器人皮膚來實現的，這種皮膚在低壓環境下具有良好的拉伸性和靈敏度（如圖2所示）。驅動能量來源於一種自然的摩擦電效應，涉及接觸電和靜電感應的協同作用。這種皮膚與軟致動器的完美結合，使軟機器人能夠執行各種主動感知和交互任務，包括主動感知肌肉運動、工作狀態、紡織品的濕度，甚至是微妙的人類生理信號。
類似於以上兩篇文章中對於摩擦發電的模擬研究，可以利用COMSOL Multiphysics來實現。該款大型的高級數值模擬軟體可以在一個模型中添加多個研究來實現對於不同數據的處理。利用該軟體對摩擦電納米發電機進行建模，可以得到電極表面電勢的分布，電壓輸出與距離的關係以及電極電荷量與距離的關係（如圖1 b、c、d，圖2）。下面做一下利用COMSOL Multiphysics對摩擦電納米發電機模型進行模擬研究。
01 新建模型嚮導
從文件菜單中選擇新建。在新建窗口中， 單擊模型嚮導。在模型嚮導窗口中， 單擊二維。在選擇物理場樹中選擇 AC/DC> 靜電 (es)。單擊添加。單擊研究。在選擇研究樹中選擇預設研究，點擊穩態。單擊完成。
02 全局定義
首先設置參數，在模型開發器窗口的全局定義節點下，單擊參數1。在參數的設置窗口中， 定位到參數欄。在名稱一欄中填入「ds」。在表達式一欄中填入「1[mm]」。
03 繪製幾何形狀
該模型包括的幾何形狀包括圓形和兩個矩形，需要分別繪製。首先，在模型開發器窗口的組件 1 (comp1) 節點下，單擊幾何 1。在幾何的設置窗口中， 定位到單位欄。從長度單位列表中選擇 mm。
然後我們來繪製圓形：在幾何工具欄單擊圓。在圓的設置窗口中，定位到大小和形狀欄。在半徑文本框中鍵入 「50」 ，在扇形角文本框中鍵入「360」。單擊構建選定對象。層設置為 10 mm
接下來繪製兩個矩形：在幾何工具欄中單擊矩形。在矩形的設置窗口中，定位到大小和形狀欄。在寬度文本框中鍵入「10」，在高度文本框中鍵入「1」。定位到位置欄。在基中選擇居中，在x文本框中鍵入「0」，在y文本框中鍵入「1/2+ds/2」。單擊構建選定對象。矩形1就構建完成了，矩形2和矩形1隻有位置不同。按照上面的步驟構建一個新的矩形，定位到位置欄。在y文本框中鍵入「-1/2-ds/2」。單擊構建選定對象。
04 組件定義
首先，需要在兩個極板的外表面加積分函數。操作如下：在定義工具欄中單擊組件耦合，然後選擇積分。單擊積分1，在積分設置窗口中，定位到源選擇欄，在幾何實體層列表中選擇邊界。在圖形窗口中單擊上極板的上表面，激活一欄中出現數字「7」。定位到高級欄，在積分階數文本框中輸入「4」。在下極板的外表面加積分是同樣的步驟，不同的是邊界需要選擇邊界「3」。
在定義工具欄中單擊無限元域。在無限元域設置窗口中，定位到域選擇欄，激活「1」、「2」、「6」、「7」四個域。
無限元類型選擇柱面，如下圖所示：
05 添加材料
整個模型要添加兩種材料：給兩極板添加自定義材料，其餘的區域材料定義為空氣。從材料工具欄單擊添加材料以打開添加材料窗口。轉到添加材料窗口。在模型樹中選擇內置材料 >Air。單擊添加到 「組件 1」 。在主屏幕工具欄中，單擊添加材料以關閉添加材料窗口。接下來給極板添加材料，從材料工具欄單擊空材料。單擊模型開發器材料>材料2以打開材料設置窗口，定位到幾何實體選擇欄，選擇域，手動激活區域「4」和「5」。定位到材料屬性明細欄，相對介電常數對應的值中填入「1.5」。
06 剖分網格
在網格的設置窗口中， 定位到網格設置欄。從序列類型列表中選擇用戶控制網格。在模型開發器窗口中單擊網格1>大小，在大小設置窗口中定位到校準為一列，選擇普通物理>預定義>超細化。單擊構建選定對象。
在網格工具欄中單擊自由三角形網格，在自由三角形網格設置窗口的域選擇欄中激活域「3」，「4」，「5」。在自由三角形網格的大小設置窗口中，定位到幾何實體選擇欄，在幾何實體層選擇域，並激活區域「4」和「5」。定位到單元大小欄，選擇校準為>普通物理>定製。定位到單元大小參數欄，單擊選擇最大單元大小，在相應文本框中輸入「ds/2.5」。單擊構建選定對象。
剩餘的區域選擇映射進行網格剖分。在網格工具欄中單擊映射，從映射設置窗口的域選擇>幾何實體層一欄，選擇剩餘。單擊全部構建。
07 接電錶研究
在剖分網格之前，在兩個絕緣表面加表面電荷密度，使它們一個帶正電，一個帶負電。當上下電極接理想電壓表時，電極的另一端附懸浮電位。當上下電極接理想電流表時，電極的另一端接地。具體操作步驟如下：在物理場工具欄中選擇邊界>表面電荷密度，從表面電荷密度的設置窗口中，定位到邊界選擇欄，激活邊界「6」。定位到表面電荷密度，在相應文本框中填入「0.001」。同樣得，在邊界「4」施加4負表面電荷密度「-0.001」。
懸浮電位設置：在物理場工具欄中選擇邊界>懸浮電位，從懸浮電位的設置窗口中，定位到邊界選擇欄，激活邊界「7」。定位到懸浮電位欄，電荷選擇用戶定義，電荷Q0文本框中填入「0」。同理在邊界「3」也施加懸浮電位。
在研究工具欄中單擊參數化掃描。在參數化掃描的設置窗口中， 定位到研究設置欄。單擊添加，在參數化列表填入range(1,1,10)。在研究工具欄中單擊計算即可。
08 穩態結果
接電壓表研究對應研究1，接電流表研究對應研究2。首先，繪製電勢。在模型開發器窗口的結果節點下，單擊電勢 (es)。在二維繪圖組的設置窗口中，定位到數據欄。從參數值 (ds (mm)) 列表中選擇 10。定位到數據欄，數據集選擇Study1 接電壓表/Parametric Solutions 1(sol2)。在模型開發器窗口中展開結果 ，選擇電勢研究1節點，然後單擊表面1。在表面的設置窗口中，單擊表達式欄右上角的替換表達式。從菜單中選擇模型 ，選擇組件 1， 靜電 ， 電 ，V-電勢-V。接電流表研究對應研究2操作步驟相同。
接下來繪製電壓輸出與距離的關係和電極電荷量與距離的關係曲線。首先，在模型開發器窗口的結果節點下，單擊一維繪圖組。在一維繪圖組的設置窗口中，在標籤文本框中鍵入「電壓輸出與距離的關係」。定位到數據欄，數據集選擇Study1 接電壓表/Parametric Solutions 1(sol2)。參數選擇全部。單擊繪製。右鍵單擊模型開發器窗口下的電壓輸出與距離的關係節點，單擊選擇全局，在全局的設置窗口下，定位到y軸數據，在表達式一欄輸入「es.fp1.V0-es.fp2.V0」，單位輸入「V」。x軸數據選擇參數值。單擊繪製。電極電荷量與距離的關係曲線繪製步驟與上述相同，不同之處是數據集選擇Study2接電流表/Parametric Solutions 1(sol4)，全局設置窗口中的y軸數據表達式鍵入「intop1(es.nD)*1[m]」。
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