【Fluent案例16】三维机翼跨音速可压缩湍流模拟

概述 热失控过程中电池内部组成成分会发生多种副反应，还存在着短路过程，放出大量的热，产生高温、冒烟着火乃至爆炸等现象。热失控的过程受到物理、化学、热、电等多因素的影响，其机理十分复杂。对于不同的热失控触发方式，不同的电池材料，热失控的演化过程也都不尽相同，因此要精确地描述热失控的机理和现象是十分困难的。 本案例以18650电池为模拟对象，忽略热失控过程中的体积及密度的变化，忽略电池热失控过程产生的气体。 案例以有声视频讲解了电池单体和模组的几何建立、网格划分、求解设置以及结果分析过程。 1单体热失控模拟电池单体模型有3个Body，分别为正极耳(P)、负极耳(N)、活性区域(Active)，由于正极耳、负极耳、活性区域均为导电区，为方便数据传递，提高计算精度,将其组成一个共享拓扑，这样在划分网格时正极耳、负极耳、活性区域的接触面网格一致，不仅便于数据传递，更有利于提高计算精度。几何模型及网格体网格数量面网格数量网格节点数量7354222404377068模拟结果电池单体的初始温度为25℃，见下图所示，在140℃的烤箱模拟中，电芯在750s左右被加热到环境温度140℃，随后最高温度升至150℃左右，之后温度基本不再发生变化，没有出现热失控现象；而在145℃的烤箱模拟中，电芯也是在750s左右被加热到环境温度145℃，在3250s 附近出现急剧温升，最高温度达到460℃左右，高出环境温度435℃，即电池发生了热失控现象，随即温度开始下降，最终与环境温度一致。（a）140℃烤箱工况电芯体积平均温度变化（b）145℃烤箱工况电芯体积平均温度变化对于140°C烤箱工况下，在初始加热阶段（t <750s），SEI分解反应对总热量产生的贡献最大，达到了环境温度，但是内部发热发生得足够慢，以至于所产生的热量被排放到环境中而没有热失控，如下图所示。（a）140℃烤箱工况下内部四种放热反应程度（b）140℃烤箱工况下产热情况对于145°C烤箱工况下，在初始加热阶段（t <750s），同样是SEI分解反应对总热量产生的贡献最大，显示出第一个局部最大值，该热量在80至140°C之间释放，主要用于加热电池。在750s<t<3250s，负极分解反应导致总热量产生。随着负粒子中锂离子反应的扩散厚度增加，反应变慢。正极分解反应是自催化的在t> 1000s，正极分解反应放热逐渐增加，并在总加热速率中占主导地位，也就是说，反应最初缓慢进行，但是随着反应的提升形成了反应产物而迅速加速，在145°C烤箱工况下，在3250s附近，由正溶剂反应引起的温度突然升高再次增强了负溶剂反应并触发了电解质的分解。但是在冷却至环境温度后反应停止。（c）145℃烤箱工况下内部四种放热反应程度（d）145℃烤箱工况下产热情况2电池模组热失控模拟本案例采用Fluent软件中的MSMD Battery Model模块对两种温度工况下锂电池的温度场分布进行模拟研究，壁面边界条件为绝热边界，分别设为145℃和150℃两种温度工况，并与文献[Gi-Heon Kim,Ahmad Pesaran, Robert Spotnitz, “A Three-dimensional thermal abuse model forlithium-ion cells” , J. of Power Resources, 170. 2007]对比，结果在趋势上基本一致，微小的差别可能是边界条件设置不同所引起的。案例对比了两种模组结构:体网格数量面网格数量网格节点数量100753563503276350327模拟结果本案例对比2C放电倍率、初始环境温度为300K工况下原始结构及优化结构的温度情况，并对优化结构做其他因素的影响分析，比如不同冷却液流速、温度、不同放电倍率等。两种电池模组结构对比分析图2-1 电池组原始结构平均温度变化曲线 图2-2 电池组原始结构最高温度变化曲线图2-3 电池组优化结构平均温度变化曲线图2-4 电池组优化结构最高温度变化曲线优化模组结构其他因素影响分析a.不同的冷却液流速：通过给定电池单体3和8初始的215℃体积温度来触发热失控，冷却液温度为20℃，由图2-5可见，随着冷却液流速的增加，发生热失控的电池单体3和8 的最高温度降低，但是冷却液流速的增加，并不能阻止热失控的扩展。（a）冷却液流速：1m/s（b）冷却液流速：10m/s（c）冷却液流速：20m/s图2-5 不同的冷却液流量下电池组优化结构平均温度变化曲线3视频讲解及源文件几何建立以网格划分讲解来源：CFD仿真区