细水雾抑制空运锂电池热失控机理及适航性研究

摘要

锂电池由于其自身易引发热失控，非常容易威胁飞行安全，而目前飞机上配备较多的哈龙1301灭火剂无法有效控制锂电池的热失控过程。细水雾灭火技术因其高效、廉价、环境友好等诸多优点被视为哈龙替代品的热门选择，因此结合锂电池热失控的特征和细水雾抑制机理进行针对性研究，能够确保锂电池航空运输过程中的安全性和经济性。 本文通过进行锂离子电池热失控实验，对其热失控过程进行定性定量分析，结合Fluent进行计算流体力学仿真研究，对锂离子电池热失控热释放速率进行修正，以此为基础建立锂离子电池热失控仿真模型。在此基础上对锂离子电池热失控过程中的阶段特性进行定量研究，提出以热失控指数定量表征锂离子电池热失控状态，并结合能量平衡方程得出控制锂离子电池热失控的临界能量，以此提出锂离子电池热失控防控策略。随后对细水雾抑制锂离子电池热失控过程进行模拟，确定细水雾抑制锂离子电池热失控的临界水量、雾滴粒径、雾锥角和喷雾强度。最后结合机载灭火系统适航性要求对不同情况下细水雾抑制锂离子电池热失控能力进行实验研究，得到细水雾在不同情况下的抑制有效性。 研究结果表明，单体锂离子电池热失控存在两个重要节点，即初爆和燃爆。两个节点将热失控过程分为三个阶段，分别为稳定、临界和失控。锂离子电池热失控的本质是能量意外的产生、积聚和传播，传播过程的主体是热传导，热辐射和热对流所占能量比例较低。锂离子电池热失控指数能够定量表征锂离子电池热失控状态，通过增加额外的热损失可以控制锂离子电池热失控的传播。通过模拟得到细水雾抑制锂离子电池热失控的最佳阶段为临界阶段，所需临界水量为87.6ml，雾滴粒径为112μm，在此条件下细水雾最佳雾锥角为60°，最佳喷雾强度为15L/min·m2。最后通过适航性实验发现电池排布方式、环境温度和压力变化对细水雾抑制能力有一定影响，需要根据飞行过程中的环境条件和电池排布对细水雾参数进行调整。 本研究将细水雾系统用于抑制锂离子电池热失控及其传播产生的多米诺效应，在深入分析锂离子电池热失控产生和传播的特征基础上结合细水雾抑制机理进行理论和实验分析，充分验证细水雾系统对锂离子电池热失控抑制的有效应和适用性，结合中国民用航空适航性理论体系进行研究，为细水雾适航性验证的标准提供基础理论指导，同时为锂离子电池安全运输管理提供决策支持。

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1锂电池热失控研究现状分析

1.2.2细水雾灭火系统研究现状分析

1.3 研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章锂电池热失控热释放速率特性研究

2.1锂电池热失控实验分析

2.1.1 锂电池热失控实验方案设计

2.1.2 锂电池热失控实验结果分析

2.2锂离子热失控热释放速率研究

2.3锂电池热失控机理模型研究

2.3.1 基于二分法的锂离子电池热释放速率等效修正

2.3.2 网格无关性与时间步长无关性验证

2.4本章小结

第三章细水雾抑制锂离子电池热失控模拟研究

3.1锂离子电池热失控能量定量分析

3.1.1锂离子电池热失控阶段性特征划分

3.1.2单节锂离子电池热失控控制策略分析

3.1.3锂离子电池模组热失控防控策略分析

3.2基于区域模拟的细水雾抑制锂电池热失控建模研究

3.3细水雾抑制过程参数有效性模拟

3.3.1细水雾有效性表征参数分析

3.3.2 细水雾抑制锂电池热失控过程场模拟

3.4本章小结

第四章机载细水雾灭火系统适航性研究

4.1机载灭火系统适航性要求

4.1.1适航性体系

4.1.2适航性验证方法

4.1.3机载细水雾灭火设备适航性

4.2不同情况下细水雾抑制效率实验分析

4.2.1实验平台搭建

4.2.2不同尺度和电池排列下细水雾抑制能力

4.2.3不同空运条件对细水雾抑制能力影响

4.3细水雾系统适航性标准设计

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢

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