速度、质量流量、温度、密度和压力是电池热失控射流的基本参数，对电池系统各尺度的热失控流体力学具有重要意义。 然而，由于热失控射流的高温、可燃性、高速和多相流特性，这些参数的测量极其困难。 该文提出了一种基于动量视角的热失控射流参数测量方法。 该方法操作简单，成本低，适用于不同材料体系电池热失控情况下射流参数的测量。
中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室的孙金华和王青松课题组开发了一种基于动量守恒的高能量密度电池热失控多相射流参数测量新方法。 本研究测量了NCM712 52AH锂离子电池热失控过程中射流的速度、质量流量、温度、密度和总压力，并提出了电池热失控射流的经验公式。 研究结果可为大尺寸电池系统的热失控排气**和结构安全设计提供参考。
1）基于动量守恒的热失控射流速度测量方法及实验布置.
将电池和喷射器视为一个整体系统，系统需要根据动量守恒定律满足热失控射流前后的动量守恒。 因此，热失控喷射器的动量会在电池上产生反作用力。 假设电池在很小的时间步长 delta t 内以速度 v 抛出物质的质量，则有。
其中 f 是注射力，dm dt 是电池的质量损失率。 由于该原理不需要对喷射器的状态进行假设，因此产生的速度是热失控射流中气固相质量分数的加权平均值。 基于此，可以基于质量守恒原理进一步推导方程，得到热失控射流中的其他参数。
图1 热失控射流参数测量装置
为了同时测量射流的冲击力和热失控过程中电池的质量损失，将电池的实验布置水平放置，并通过喷嘴水平喷射热失控射流，如图1所示。 这确保了热失控射流不会偏转，从而对质量损失测量产生影响。
在温度测量方面，本研究采用双热电偶布置的实验布置，同时测量热失控射流中颗粒和气体的温度。 一方面，迎风侧的热电偶粘附在颗粒上，因此可以测量颗粒温度另一方面，背风侧的热电偶位于圆柱形流动区域，避免了颗粒粘附的干扰，从而可以测量气体温度。
2）热失控射流冲击力和质量损失的测量。
NCM712 52 Ah电池的热失控射流冲击力和质量损失通过三次重复测量得到，如图2所示，分别采用高斯函数和物流函数拟合曲线。 拟合相关系数r2大于099、结果证明该功能可以更好的**实际值。
图2 电池冲击力和质量损失曲线。
表1 电池冲击力和质量损失曲线拟合
此外，还分析了喷嘴对冲击力和质量损失测量的影响，如图3所示。 结果发现，对于没有喷嘴的高斯型，冲击力仍然足够。 这证明喷嘴不会改变热失控射流的冲击特性，并且两种情况下的冲击力曲线相似。 然而，在没有喷嘴的情况下，质量测量会出现明显的失真。 这说明了喷嘴应用以消除偏转效应的必要性。 由于喷嘴对热失控射流的冲击特性没有影响，因此可以通过乘以修正系数来校正与喷嘴的冲击力曲线。
图3 喷嘴对热失控冲击和质量损失的影响和消除
3）热失控射流参数。
根据本文提出的基于守恒定律的热失控射流参数测量方法，从数据中得到了NCM712 52 Ah电池的热失控射流参数。 图 4 说明了该电池热失控期间的质量损失率、速度、密度、总压力、温度和马赫数的结果。 图 4（a， b） 显示了电池在 8 时热失控射流的速度它在 012 秒时达到峰值，在 210 秒处86 ms，而质量损失率为 6它在 012 秒处达到峰值，为 0041 kg/s。峰值速度的时刻与质量损失的峰值不重合，而是延迟约2秒。 这种差异的一种可能的解释是，在电池发射大量固相成分后，质量损失率降低，而由于气体密度较低，当受到相同能量时，气体速度更快。
在图4（c）中，密度为6012 s呈单峰变化模式，峰值为081 kg/m³。在计算图4（d）中的压力时，假设气相速度等于各相的平均质量速度，并假设气相的质量分数在此过程中是恒定的，则计算出热失控射流产生的最大总压力为112325 kpa。图4（e）显示了迎风面和背风面的温度测量值。 其中迎风面温度为颗粒温度，背风面温度为气体温度。 两者之间温差为200 °C，表明颗粒温度明显高于气体温度。 进一步假设气体是理想气体，计算结果为6237 秒时的马赫数为 马 = 0382。热失控射流的马赫数在 5 秒到 10 秒之间2 秒之间超过 03。因此，在热失控射流的开始和结束阶段，可以忽略由可压缩性引起的总能量方程的动能项。 然而，在射流最强烈的阶段，热失控射流表现出轻微的可压缩性。
上述拟合也可以推广到物流函数的一阶导数，并且能与实验值保持较好的一致性。 如图 4 所示，射流参数的趋势和特征可以很好地拟合到函数**中。 这表明，虽然拟合函数不是基于物理的方程，但Logistics函数和Gauss函数仍在一定程度上反映了热失控的内在物理机制，可以作为计算热失控射流速度的经验公式。
图4 热失控射流参数。
结果简介。研究成果已发表在Journal of Power Sources上，李俊元为第一作者，秦鹏、王青松为共同通讯作者。
junyuan li, bang tong, peng gao, zhixiang cheng, mingwei cao, wenxin mei, peng qin*, jinhua sun, qingsong wang*. a novel method to determine the multi-phase ejection parameters of high-density battery thermal runaway, journal of power sources 592 (2024) 233905