power-sonic蓄电池受限隧道空间锂离子电池火灾烟气逆流层特性研究
2026-04-16 15:51:51 点击： 次
随着新兴能源技术驱动的电动汽车持续加速普及，锂离子电池的火灾风险已成为城市交通隧道、长距离管廊及地下结构安全的关键议题。为探究不同纵向风速下受限隧道空间内锂离子电池的燃烧与烟气特性，研究团队采用45 Ah锂离子电池在隧道模型中进行缩尺实验。结果表明：当纵向风速从0 m/s增至0.当风速达到83 m/s时，隧道顶板温度下降，45 Ah电池组的最低温度降至200℃，同时烟气逆流层长度缩短。当风速超过临界值时，烟气逆流层长度转为负值，表明烟气完全位于火源下游。随着荷电状态从25%提升至100%，隧道顶板温度显著上升，45 Ah电池组的最高温度可达650℃，两种电池组的烟气逆流层长度均增至约3 m。在电池燃烧过程中，烟气逆流层长度演变与燃烧阶段相对应：初始热失控阶段逐渐增加，稳定燃烧阶段趋于平稳，二次热失控阶段再次增长。根据实验结果，本研究提出了烟气逆流层长度的无量纲模型及临界风速模型，相关发现可为隧道设计、通风系统优化及安全规范制定提供重要参考。
引言
随着采用新兴能源技术的电动汽车加速普及，锂离子电池在储能系统、电动汽车充电站及换电站中的应用范围与规模持续扩大。其火灾风险已成为城市交通隧道、长距离管廊及地下结构空间安全的关键问题。锂电池热失控（TR）可能引发剧烈燃烧，释放大量热量并产生有毒气体（如例如HF、CO、CO₂）。在狭窄或通风不良的隧道环境中，烟气逆流层现象会显著影响人员疏散、应急救援行动以及建筑结构的整体安全性。因此，研究隧道内新能源汽车电池火灾烟气的生成与传播特性，以及控制烟气逆流层所需的临界风速，对于隧道设计、通风系统优化及安全标准制定具有重要科学意义。
钟等（2011）针对某地下水电工程大型倾斜拱形隧道，在三种不同火源功率条件下开展了烟气逆流层现象的全尺寸实验研究。孟等（2018）通过实验研究了阻塞率、纵向风速、障碍物及火源间距对烟气回流长度的影响。胡等（2022）结合模型试验与数值模拟方法，探究了隧道火灾中车辆阻塞率与阻塞形式对烟气逆流层长度的影响（Hu et al., 2006）。采用实验与数值模拟相结合的方法研究了隧道顶棚下方烟气最高温度（Hu等，2005）。研究团队在长走廊内开展了全尺寸火灾实验，以探究烟气温度与速度的变化规律。实验发现走廊纵向速度分布符合指数函数特征（Zhang等，2020）。该研究重点分析了由贴壁气体射流火焰诱发、在墙面与倾斜顶棚形成的角落区域中，撞击流的温度分布特性。Fan等人(2025)开发了一种新模型，用于关联不同顶棚倾斜角度下的温度分布曲线。该研究在变化的亚大气压力、热释放速率和顶棚高度条件下，系统分析了与火焰延伸尺度相关的温度分布特征、流场模式和火灾风险参数。最终建立了预测模型，用于估算不同环境压力条件下的火焰延伸长度和蔓延面积(Tang等人，2023)。一项实验研究探讨了侧风对双池火火焰相互作用及燃烧特性的影响。研究提出了描述两个池火间相互作用与合并行为的物理模型。基于该框架，建立了预测火焰合并概率的分段函数，并确定了区分合并与非合并火焰状态的判据(Ji等人，2012)。通过开展缩尺寸实验研究了火源横向位置对隧道顶棚下方烟气最高温度的影响，结果表明侧壁约束会导致顶棚最高温度显著高于开放环境中的观测值（Fan等，2015）。该研究建立了临界通风速度与火源至隧道出口间距的定量关联，并进一步探讨了火源纵向位置对隧道顶板下方烟气峰值温度的作用机制。他们的研究结果表明，火源纵向位置变化对烟气最高温度的影响微乎其微（Chen等，2019）。研究人员通过1:20缩尺模型实验，系统考察了不同火源功率与位置对隧道内烟气纵向温度分布的影响规律，发现自然通风工况下，当火源外边缘与排烟口内侧墙正对时，将形成最不利火灾工况（Zhong等，2020）。Xu等人（2023）基于1:10隧道缩尺模型，研究了自然竖井通风与纵向气流共同作用下火焰形态、燃料质量损失率、竖井内温度分布及排烟速度的变化规律，并进一步解析了烟气层穿透现象，完善了相关临界弗劳德数的理论模型。通过数值模拟研究了隧道挡板如何提升竖井自然通风系统效率，并建立了排烟效率与无量纲挡板高度及无量纲火源功率之间的经验关联式。Guo等(2021)针对顶部开口自然通风隧道火灾开展数值研究，分析了火源功率及竖井位置、高度、长度和宽度等参数对竖井排烟效率的影响。总体而言，已有大量研究探讨了隧道火灾中的烟气流动、温度场及能见度分布特征。多数研究者采用全尺寸隧道数值模拟再现真实火灾场景，另有学者通过缩尺或全尺寸实验研究不同隧道断面形式与通风策略下的火灾特性。
大量研究致力于探究锂离子电池(LIBs)在密闭环境中的热失控(TR)行为(Li等, 2023; Liu等, 2023; Liu等, 2022; Wang等, 2023a; Wang等, 2023b; Wang等, 2022; Zhang等, 2022)。Yan等(2021)对LIB模组进行了一系列TR测试以评估封闭条件的影响，研究表明密闭空间可抑制热失控事件期间电池表面峰值温度(Zhai等, 2022)。实验研究了不同顶棚倾角下的热失控传播，证实增大顶棚角度能显著抑制电池喷射火焰向相邻单元蔓延（Zhang等，2024）。Ouyang等（2024）通过分析不同顶棚高度下的热失控行为，进一步揭示了其传播机制。Wang等（2023c）则针对拱顶和平顶等多种隧道顶棚构型，研究了不同荷电状态下锂离子电池的热失控特性。提出了一种简化的分析方法，用于研究气流速度对锂离子电池热失控过程中温度演变及烟气特性的影响（Wang等，2024年）。他们在密闭通道内进行了热失控传播实验，并指出适当的风速能在一定程度上抑制热失控传播。此外，他们还揭示了热失控传播速率与风速之间的幂律关系（Zhu和Tang，2024年）。研究了隧道内方形磷酸铁锂电池在不同荷电状态下的火焰形态、顶板温度及一氧化碳生成特性（Zhu等，2025年）。考察了纵向气流作用下锂离子电池在狭窄受限空间内的火焰演变过程，并分析了不同纵向风速条件下电池火灾引发的隧道顶板温升现象（Feng等，2018年）。系统总结了锂离子电池热失控的作用机理。锂离子电池本征热失控是一个由耦合电化学反应、热量积累与物质释放驱动的多阶段链式过程。在高温或滥用条件下，电池首先经历负极固体电解质界面（SEI）层的分解。随后，正极材料释放的氧与电解液发生放热反应，导致隔膜熔化或收缩，进而引发内部短路。电池内部短路产生大量焦耳热，导致温度急剧上升、电解质汽化以及电极材料剧烈分解，形成高压气体。最终引发电池膨胀、外壳破裂及电解质与可燃气体喷射燃烧。在喷射燃烧过程中，不均匀内部反应、局部热量积聚与二次气相燃烧的耦合作用，导致出现多个放热峰与间歇性剧烈燃烧现象，此过程被定义为二次热失控。这种多阶段、非稳态且间歇性放热特性，是区分锂离子电池热失控与传统燃料燃烧的根本内在行为特征。
本研究考察了不同纵向气流条件下受限隧道环境中锂离子电池的燃烧行为与烟气扩散特性。采用缩尺实验方法，在隧道模型中开展了不同容量锂电池的热失控实验。系统分析了隧道顶棚温度变化及烟气逆流层范围，进而建立了逆流层长度的无量纲表达式。此外，本研究探讨了临界通风速度与烟气逆流行为之间的依存关系。该研究将基于稳定火源的常规隧道火灾研究拓展至以多阶段热失控为特征的锂离子电池火灾场景，系统揭示了荷电状态（SOC）与纵向通风耦合作用下隧道顶棚温度及烟气逆流行为，并建立了适用于锂离子电池火灾的烟气逆流长度预测模型。