用于热失控喷射流的一般计算流体动力学框架：在开放几何与板约束几何中的验证

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：A General CFD Framework for Thermal Runaway Jets: Validation in Open and Plate-Confined Geometries

　　摘要：锂离子电池的热失控会引发高速气流、火焰以及高温颗粒，这些物质会与周围结构发生相互作用。本研究将此前为NMC电池热失控场景开发并验证过的CFD模型框架应用到基于NCA的18650电池实验中，具体包括电池向水平铝板释放气体的场景以及等效的开放空间喷射场景。内部热生成通过异常化学反应和内部短路模型来表示，该模型会根据电池的充电状态来确定分两阶段的排气过程。外部燃烧则采用可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯方程结合k-ω剪切应力传输模型来进行模拟，同时运用有限速率/涡流耗散模型来描述H2/CO/CH4/C2H4/C2H6的气体行为，还包括P1辐射模型以及用于描述固体颗粒的双向耦合离散相模型，该模型能够体现颗粒与壁面之间的热传递过程。该模型通过板下热电偶的测量数据以及板障碍场景下火焰延伸情况的图像数据进行了验证，而对于开放空间喷射场景，则通过图像分析得到的火焰长度数据进行验证。测试结果表明，该模型能够准确呈现板障碍场景下的板下温度变化趋势及时间规律；而在封闭和开放两种场景中，相同的火焰延伸指标都能有效反映火焰的发展状况。由于该模型采用统一的输入驱动架构，可同时应用于密封、开口以及顶部受限等多种电池结构，因此有望作为设计辅助工具，帮助优化排气路径、安全间距以及防护措施。当然，要使其在实际电池模块的设计、运输、储存以及航空、航海领域中的应用更具实用性，还需进一步改进模型，以便更精确地模拟不同时间节点下的排气成分变化以及壁面沉积情况。

引言：锂离子电池的热失控会将内部的放热反应与一系列外部危险因素联系起来，比如快速排气、高速气体喷射、可能的点火与火焰蔓延、强烈的热辐射以及颗粒物释放。随着高能量锂电池被广泛应用于道路运输、固定储存、航空辅助系统以及航海领域，人们接触这些危险因素的风险也在不断增加。事故后的分析表明，单个电池的故障有可能扩散到多个电池，进而损坏关键设备，使被动防护措施无法发挥作用。因此，在设计电池时，需要根据实际几何结构，对排气路径、与电池盖或金属板的距离以及防护材料等参数进行定量分析，以预测可能产生的外部危险。此前的研究（Chakaroun等人，2025年）已经指出了这一需求，并将热失控建模视为一种安全分析工具，能够帮助设计人员了解封闭空间内的超压情况、外部火焰的紧凑程度以及结构附近所承受的热负荷。支持此类建模的现有研究主要分为三类。第一类是关于内部触发机制及电池内部的反应过程。早期的滥用测试（Spotnitz和Franklin，2003年；Hatchard等人，2001年）研究了机械、电气和热应力如何导致电池发生热失控。后续的研究则将局部损伤与电池自热现象以及短路发展过程联系起来，还有些研究侧重于比较不同正极材料的安全性能差异。相关综述和数据集指出，电池释放的气体成分会受到电池充电状态、正极材料种类以及测试条件的显著影响。因此，进行外部火灾建模时，需要掌握气体释放量、气体的典型成分、释放速率以及喷射流的热状态等关键信息。此前的研究（Chakaroun等人，2025年）在原有基础上进一步发展了这一建模方法，通过考虑充电状态对排气成分的影响以及气体释放量数据，无需引入与化学成分相关的调整参数，即可确定外部燃烧的来源。第二类研究则是聚焦于电池开始排气后的外部喷射流、火焰以及周围环境所受的影响。在米级规模的开口容器中进行的测试，可以测量喷射流沿流动方向的温度分布以及开放空间中的温度情况。这些测量数据有助于了解火焰的中心线温度变化趋势、点火位置以及颗粒物沉积的位置。对于顶部受限的电池结构，情况类似——附近的金属板或电池盖会缩短喷射流的长度，使火焰更加紧凑，同时也会增加表面的热辐射强度。（Yue Zhang等人，2022年）研究了垂直放置的18650型NCA电池向水平铝板释放气体的情况，测试时的距离介于2厘米到10厘米之间。研究表明，冲击点附近的最高温度可达1000至1200摄氏度，而当电池与铝板之间的间隙较小时，热流强度也会非常高。研究中使用了12个K型热电偶，其中7个安装在电池正面的下方5毫米处，另外5个安装在电池背面，用于检测入射热量和传导热量，同时还使用了一个侧向辐射计来测量辐射通量。这些数据为研究电池表面温度升高以及热量在电池厚度方向上的传递提供了有力的支撑。第三类研究则试图将内部反应、排气过程以及外部燃烧现象整合到一个统一的CFD模型中。有一些研究将阿伦尼乌斯型内部热释放机制和压力驱动的排气过程与RANS燃烧模型相结合，有的还加入了两相喷射流建模和颗粒追踪功能。（Kong等人，2022年；J. Kim等人，2021年）研究了包含源项的气相燃烧过程；（Reghunath等人，2022年）模拟了排气过程的发生时机以及早期的内部流动情况；（G. Wang等人，2023年）将颗粒物的排气过程视为一个多相过程来建模；（J. Wang等人，2024年）则模拟了在受到热应力作用时的两相喷射流火灾现象。此前的研究综合运用了可压缩RANS模型、针对H2/CO/CH4/C2H4气体类型的有限速率/涡流耗散化学模型、P1辐射模型以及用于描述喷射出固体颗粒的双向耦合离散相模型，结果显示该模型在两种标准场景下都具有较高的准确性：一种是密封容器中的燃烧过程，此时燃烧受压力主导且氧气供应有限；另一种是充满空气的开口容器中的燃烧过程，两种场景的数值设置保持一致。尽管已经取得了这些进展，但仍然存在一个重要的缺陷：实际的电池组很少会处于完全密封或完全开放的极端状态。电池周围的电池盖、托盘、汇流排以及冷却板都会形成顶部受限的区域，在这些区域中，排气喷射流在很短的路径后就會撞击到某个表面。这种受限条件会使喷射流在表面下方形成一个紧凑的区域，增加气体的停留时间，同时也会提升辐射强度以及表面附近的燃烧强度，这些因素都可能导致热量重新传递到电池的其他部件以及相邻的电池单元中。板障碍实验能够提供大量具有精确几何信息的数据，非常有利于模型的验证，不过，目前还没有太多案例能够证明，同一个未经修改的CFD模型能够同时适用于不同化学成分的电池在密封、开口以及顶部受限三种不同结构下的热失控现象。如果无法证明这种通用性，设计人员所使用的工具虽然在特定场景下能够发挥作用，但一旦电池的几何结构或化学成分发生变化，这些工具就可能不再适用。这里的“通用化”包含三个方面的含义。首先是指配置通用化，即在不改变模型结构的前提下，为密封容器、通空气体的开放喷射流以及顶部受限的碰撞场景使用相同的湍流模型、化学模型、辐射模型以及颗粒耦合模型参数。其次是指物理过程通用化，即在任何场景中都以相同的方式处理从电池中喷出的固体颗粒。这类颗粒通常温度很高且成分复杂，不仅具有热容量，还会发出强烈的辐射，同时还容易粘附在各种表面之上，因此模型需要具备双向耦合功能、能量交换机制以及与壁面的相互作用机制；在条件允许的情况下，还可以在模型中加入少量从高温颗粒中释放出的气体，以此来模拟次要燃料的作用。至于化学成分的通用性问题，则是通过输入参数的方式来处理，而非通过调整CFD模型中的各类常数来实现。此前的验证工作是基于NMC电池架构进行的，而本研究则旨在探讨，一旦提供了与化学成分相关的输入参数，比如电池的内部动力学参数、排气气体的成分、释放的气体和颗粒质量以及排气历史记录，是否可以将同样的建模架构应用到基于NCA电池的实验案例中。此前的研究（Chakaroun等人，2025年）已经展示了如何通过考虑充电状态对气体释放量的影响，以及利用能够解释排气口附近温度峰值以及长时间热效应的颗粒模型，来实现这一目标。现有数据也充分体现了采用这种建模方法的必要性。在密封容器中，此前的研究已经揭示了能量和压力如何随电池充电状态以及压力脉冲的出现时间而变化，从而为计算小型封闭空间和测试电池中的峰值超压值以及总能量提供了有用的参考依据。在开口容器中，同样的模型也能够准确匹配1立方米容器中位于15毫米、215毫米和415毫米深度处的热电偶所记录的温度数据，从而显示出排气流的动量、取决于电池充电状态的排气气体成分以及颗粒物沉积情况是如何影响排气口附近以及更远位置的温度的。在顶部受限的电池测试中，测量结果显示，水平铝板下方会形成紧凑的火焰，冲击点处的温度会非常高，而且通过安装在电池两面上的热电偶可以检测到热量在电池厚度方向上的传播情况。这三种测试场景共同构成了验证电池在面临各种外部危险情况时的模型性能的完整路径。本文旨在评估此前已经过验证的基于NMC电池的CFD模型框架是否能够应用于其他类型的正极材料以及不同的电池几何结构。研究采用了与之前相同的模型架构，没有对其外部CFD结构进行任何修改，以此来模拟18650型NCA电池向水平铝板释放气体的场景（Yue Zhang等人，2022年）以及等效的开放空间喷射场景（Kong等人，2022年）。所有外部模型均保持不变，依然采用可压缩RANS模型结合k-ω剪切应力传输湍流模型，使用简化后的几类主要排气燃料对应的有限速率/涡流耗散化学模型，同时加入P1辐射模型以及用于描述固体颗粒的双向耦合离散相模型。化学成分相关的特殊效应则是通过输入数据来体现的，主要包括NCA电池的内部动力学参数、基于电池充电状态的排气气体成分，以及释放的气体和颗粒的质量，而非通过调整湍流模型、辐射模型或燃烧模型中的参数来实现。用于模拟排气气体的成分数据取自75%充电状态下的相关实验数据，作为80%充电状态下的板障碍场景的参考值，具体细节详见第2.2节。因此，本研究主要关注两种基于NCA电池的开放空间场景：一种是顶部受限的板障碍场景，此时喷射流会撞击到附近的铝制表面，从而导致电池板下方出现明显的加热现象；另一种是开放空间场景，此时喷射流可以自由流动，火焰的延伸主要受气流卷吸效应以及湍流混合作用的影响。近期的研究越来越重视更广泛的安全评估以及模型通用化的问题。实际上，关于电池滥用行为以及热失控现象的研究（G.-H. Kim等人，2007年；Spotnitz和Franklin，2003年；Hatchard等人，2001年）已经为分析电池的能量释放机制以及热量传递路径提供了基础数据。而那些针对气体成分的复杂变化以及电池可燃性特点的研究（Yuanying Zhang等人，2022年；Koch等人，2018年）则明确了气体成分与电池点火风险之间的关系。那些考虑电池充电状态对气体生成以及传播过程影响的研 究（Qi等人，2025年；Xu等人，2024年；Wei和Li，2024年；Shen等人，2023年）则为通用外部危险模型提供了必要的输入参数。那些以颗粒物为研究重点的研究（W. Li等人，2024年；G. Wang等人，2023年；Y. Chen等人，2020年）则强调了锂离子电池热失控喷射流的多相特性。而那些采用耦合模拟方法的研究（J. Wang等人，2024年；U等人，2023年；Kong等人，2022年）则展示了从初始条件到最终结果的完整模拟流程。此前的研究（Chakaroun等人，2025年）已经将这些不同的研究内容整合到了密封容器和开口容器场景的建模中，而本研究则将同样的建模框架扩展到在实际电池模块中较为常见的顶部受限几何结构场景中。这样做有两个实际意义。首先，通过在不改变模型核心参数和数值设置的情况下实现不同场景之间的模型转换，该模型就可以从仅适用于特定场景的分析工具，转变为能够用于多种电池布局的通用工具。这样一来，设计人员在从开放式测试环境转向带有封闭结构的电池模块时，就无需担心模型参数会发生隐秘的变化，从而能够更方便地评估电池的几何结构、安全间距以及防护措施的有效性。其次，通过输入参数来体现模型在面对不同化学成分时的稳定性，有助于明确电池的外部火焰现象以及电池板所承受的热负荷如何随着电池充电状态以及正极材料种类的不同而发生变化。当排气气体的成分、释放的气体质量或者排气历史记录发生变化时，模型中的气体源参数也会随之调整；而当电池的几何结构从开放状态变为受限状态时，模型中的湍流模型、化学模型、辐射模型以及颗粒模型仍会通过自身的物理机制来做出相应响应，而无需对模型参数进行手动调整。总而言之，热失控建模已成为确保电池设计合理以及符合相关监管要求的重要手段。此前的研究已经证明，通过使用基于实验数据得出的气体成分信息、气体释放量数据以及一致的外部CFD模型参数，一个CFD模型就能够同时适用于密封容器和开口容器中的热失控场景。本文则进一步推动了这一研究工作：首先，该研究使用具有详细测量数据的板障碍场景来验证同一个CFD模型的适用性；其次，该研究还构建了一个涵盖密封场景、开口场景以及顶部受限场景的跨场景分析框架，以此来证明该模型在几何结构、物理过程以及化学成分方面都具有较好的通用性。研究的最终目标是建立一个能够适用于各种已知测试场景的通用模型，而不是仅为某一种特定电池结构设计的专用模型，因为实际上，真实的电池模块往往既有部分区域处于受限状态，又有部分区域的排气路径是开放的，而且不同的电池设计可能会使用相同类型的正极材料。

实验选择与建模目标：本研究以两组互补的数据集作为建模目标，分别是Yue Zhang等人（2022年）进行的板障碍测试数据，以及Kong等人（2022年）针对单个18650型NCA电池进行的开放空间喷射测试数据。在Yue Zhang等人（2022年）的实验中，电池会向上向水平铝板释放气体，电池与铝板之间的距离在2厘米到10厘米之间。研究者在铝板下方的一定半径范围内安装了K型热电偶，这些热电偶的安装位置距离铝板表面大约5毫米，同时还会通过侧视图像来观察铝板下方的发光区域。本研究则选择了距离为6厘米的电池模型。为了进一步研究喷射出的固体颗粒的作用以及它们可能与表面发生的反应，本研究设计了三种不同的建模配置（见表3）：CFD-1模型仅包含气相燃烧过程，同时采用有限速率/涡流耗散化学模型；CFD-2模型则在CFD-1模型的基础上增加了离散相模型，但不包括颗粒燃烧过程；CFD-3模型则同时启用离散相模型和颗粒表面燃烧过程。图3展示了四种不同位置的热电偶所测得的板下温度与模型计算结果的对比情况。在最初的1秒内，所有半径处都出现了早期上升现象。结论：本研究构建了一个统一且可重复的CFD框架，该框架将内部触发的TR源与外部解析的喷流和火焰相连接，同时考虑了有无限制板的情况，并且还明确计入了喷射出的固体及其对壁面的加热效应。该框架的优点在于清晰性、可移植性和可追溯性：耦合流程（内部进程→两阶段排放→外部流动）十分透明；颗粒-壁面显热沉积机制也被应用于相关的固体模型中。CRediT作者贡献说明：Nabiha Chaumeix：写作——审阅与编辑、监督、资源提供、项目管理、概念设计。Stéphanie De Persis：写作——审阅与编辑、监督。Pierre Coste：写作——审阅与编辑、监督、方法论、概念设计。Sirar Chakaroun：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、形式分析、概念设计。未引用的参考文献：Chen等人，2020年；Reghunath等人，2023年；Zhang等人，2022年；Zhang等人，2022年。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。数据可用性声明：如有合理需求，可从相应作者处获取数据和脚本。资金支持：本研究未获得任何外部资助。利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。Sirar Chakaroun|Pierre Coste|Stéphanie De Persis|Nabiha Chaumeix法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学、CEA、Liten、DTCH，38000格勒诺布尔。