Page 127 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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相等，此时，两电极电势差为零，外电路没有电流产 选择为R-TENG球壳、PTFE起电小球和铝电极；添加
生；当起电小球相对于球壳运动到图1(c)中(B)位置 接触属性，将R-TENG球壳内表面设置为源边界，
时，在静电感应作用下，电荷会通过外电路，从左电极 PTFE小球表面设置为目标边界，接触压力计算方法
运动到右电极；当起电小球运动到图1(c)中(C)位置 选择罚函数；为了提高接触的收敛性及计算效率，本
时，电荷会通过外电路，从右电极运动到左电极；当起 文中将R-TENG球壳和铝电极设置为刚性域；添加体
电小球运动到图1(c)中(D)位置时，电荷会通过外电 载荷属性，域选择为R-TENG球壳和铝电极，体载荷类
路，从右电极运动到左电极，从而实现波浪能到电能 型为总力，方向仅沿着水平方向，用以仿真系泊对R-
的转换. 如此循环往复，在外电路中形成交变电流. TENG水平方向的约束. 在R-TENG球壳内表面和
由上述分析可见，浮动球壳与波浪激励、球壳与 PTFE小球表面设置表面饱和电荷密度(充分接触后表
内部起电小球，以及起电小球与电极之间，都存在着 面电荷达到饱和且驻电极材料表面的摩擦电荷可以
瞬态耦合关系. 为了能反映其各子系统之间的耦合作 保持很长时间不变化 )，并将模型中的所有域设置为
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用，以更加准确地进行时域估计，本文中拟建立具有 静电物理场，用以模拟静电感应过程. 此外，为了设置
图2所示耦合关系的R-TENG高保真仿真模型. 零电势面以开展静电场仿真，本文中将模型上边界设
置为零电势面(通过对其设置接地属性).
Fluid-structure Contact
Interaction collision 1.3 流固耦合模块建模方法
Wave Numerical Spherical shell Triboelectric Power
condition wave tank of R-TENG ball output 为了产生具有仿物理造波的随机数值波浪场，本
文作者在COMSOL Multiphysics软件中采用了推板造
Fluid-structure Friction power
Interaction module module 波和斜坡消波相结合的方法，其模型如图3(b)所示. 对
Fig. 2 Coupling relationship of simulation model 空气域和水域添加动网格，并将网格平滑类型选择为
图 2 仿真模型的耦合关系
拉普拉斯，同时将R-TENG外部的空气和水域设置为
1.2 摩擦发电模块建模方法 层流物理场. 在层流物理场中添加1个壁属性以进行
本文中采用了COMSOL Multiphysics有限元模拟 推板造波，其边界选择为图3(b)中的造波推板边界. 通
软件构建了上述R-TENG的二维多物理场耦合模型. 过对该壁指定水平运动函数，并通过控制函数的幅值
R-TENG的几何模型如图3(a)所示，该模型包含球壳、 和频率，产生所需仿物理造波的随机数值波浪场. 添
起电球及均匀附着于球壳内侧的4块金属电极，并将 加1个压力点约束，点选择为图3(b)的压力输出点，作
该几何模型设置为联合体. 材料选择方面，将R- 为造波过程中的压力输出口. 添加壁操作，选择图3(b)
TENG的球壳设置为亚克力材料，起到支撑和隔水的 斜坡边界，实现斜坡消波.
作用. 由于聚四氟乙烯(PTFE)和铝电极性相差较大， 对上述相同区域添加相场物理场并设置其初始
二者的配合具有较好的摩擦起电效果 ，本文中将 值属性以及合适的相场变量，通过添加初始界面属
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4片金属电极设置为铝材料，并将起电小球设置为 性，选择图3(b)所示初始水面边界为初始时刻水面. 对
PTFE材料，其余部分设置为空气材料. 在物理场设置 空气和水域添加二相流-相场多物理场，并将流体流
方面，添加固体力学物理场，此物理场的域选择为 动属性选择为层流，而上述的初始界面选择为移动界
PTFE小球、R-TENG球壳和铝电极，添加重力属性，域 面，完成通过二相流耦合设置，并用以产生数值波浪
Spherical shell of
Aluminum R-TENG
electrode Air Initial water
Air R-TENG surface Pressure output point
Wave
board
Water Slope Wave absorbing region
PTFE triboelectric
ball
(a) Geometric model of R-TENG (b) Geometry model of numerical wave pool
Fig. 3 Modeling method of R-TENG
图 3 R-TENG的建模方法
