随着电子科技的快速发展,能源危机与环境污染已经成为人们关注的焦点。热电发电器因具有紧凑、可靠性高、环境友好、无工作流体和无化学反应等优点而广受关注,此外它还可作为回收余热和废热的装置。但热电发电器的转换效率和输出功率较低阻碍了其在日常生活中大规模利用。因此,提升热电发电器的转换效率与输出功率对热电发电器的发展至关重要。研究者们已从改善热电发电器的几何结构和提升热电材料性能等方面进行了大量的研究,并取得了鼓舞人心的进展。然而,基于结构设计和分段材料的策略总是分开的。同时考虑两者因素影响的研究十分有限,其中大部分研究主要集中在规则可变截面上,而对非规则可变截面设计的研究很有限,还需进一步研究。本文以分段材料和非规则可变截面耦合设计的热电发电器为研究对象,建立了温度场与电场耦合的多物理场数值模型,并与传统设计、仅分段设计、非规则可变截面设计进行了性能比较。揭示了各种机制之间的耦合效应,证明了耦合设计的优越性。此外,还利用遗传算法进行多参数优化,以达到各种参数的最优组合。结果表明,当热侧边界条件为Q=0.5 W,冷侧边界条件为Tc=300 K时,在一定材料体积的约束下,耦合设计可以使热电发电器的输出功率从39.49 mW增加到59.91 mW,与同体积的传统热电发电器相比,输出功率提高了 51.71%,而非规则可变截面设计仅使热电发电器的输出功率提升了 7.57%。除上述研究外,还分析了耦合设计下热电发电器的几何结构随冷侧温度的变化情况。研究发现,当冷侧温度发生改变时热电发电器的最佳几何结构也发生变化。通过计算热电材料的ZT值,发现耦合设计的优化结构比传统设计具有更高的ZT值。本文提供了一种在一定体积材料的约束下提高热电发电器性能的简单途径,并且不会增加制造成本,为热电发电器的快速发展做出了一定的贡献。