劉昊東，張鵬飛，黃鈺期

（浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

隨著電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，電動(dòng)汽車(chē)電池的安全評(píng)價(jià)關(guān)乎到車(chē)輛的安全性和用戶的使用體驗(yàn)[1]。電池?zé)崾Э匮芯吭谔岣唠妱?dòng)汽車(chē)安全性、優(yōu)化電池設(shè)計(jì)和材料選擇、改進(jìn)電池管理系統(tǒng)、推進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)發(fā)展、增強(qiáng)消費(fèi)者信心以及支持政策制定等方面具有重要意義。尤其是對(duì)于廣泛應(yīng)用的三元鋰電池而言，其在電池材料選擇和組件設(shè)計(jì)、熱失控機(jī)理、熱失控防范措施以及溫度控制和熱管理等領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)新的研究和成果[2]。

當(dāng)三元鋰離子電池處在高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的電解液和電極材料可能發(fā)生熱分解反應(yīng)，熱分解反應(yīng)導(dǎo)致電解液中的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)和添加劑等成分分解成氣體；此外，電池正極和負(fù)極的電極材料可能與電解液中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生氣體。這些氣體聚集成氣泡，可能堵塞通道或?qū)е戮植繀^(qū)域壓力逐漸增加。當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，電池正負(fù)極表面的氣泡會(huì)以高速射流的形式從氣孔或通道中釋放。在電池?zé)崾Э氐倪^(guò)程中，存在兩次典型的射流現(xiàn)象：首先，第一次射流出現(xiàn)在安全閥打開(kāi)瞬間，內(nèi)部積聚的可燃?xì)怏w、電解質(zhì)蒸氣以及液滴會(huì)以高速射流的方式流出；其次，第二次射流在熱失控開(kāi)始后發(fā)生，隨著電池溫度迅速升高，內(nèi)部副反應(yīng)加速進(jìn)行，產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w和固體顆粒，從而引發(fā)第二次射流現(xiàn)象。射流現(xiàn)象可能導(dǎo)致電池殼體破裂，電解液泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致電池系統(tǒng)的火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重安全事故。研究三元鋰離子電池?zé)崾Э氐纳淞魉俣葓?chǎng)在以下幾個(gè)方面具有重要意義。

（1）電池內(nèi)部壓力研究。通過(guò)研究射流速度場(chǎng)，可以了解電池內(nèi)部壓力隨溫度的變化情況，有助于預(yù)測(cè)電池的安全性和穩(wěn)定性。此外，通過(guò)對(duì)射流速度場(chǎng)的研究，可以確定導(dǎo)致射流現(xiàn)象發(fā)生的臨界壓力值，幫助研究者理解電池?zé)崾Э氐陌l(fā)展過(guò)程。

（2）仿真分析校驗(yàn)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)后續(xù)仿真模型的校驗(yàn)提供參考，有助于驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，從而改進(jìn)仿真模型，使其更符合實(shí)際情況。

（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)研究射流速度場(chǎng)，可以深入了解電池內(nèi)部氣體釋放和流動(dòng)的行為。這有助于優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括電池殼體、隔膜和氣孔等，以確保在熱失控發(fā)生時(shí)，電池內(nèi)部氣體能夠順利釋放，減少堵塞現(xiàn)象，并降低射流的發(fā)生概率。

（4）電池?zé)峁芾聿呗灾贫āＩ淞鳜F(xiàn)象是電池內(nèi)部能量失控的一種釋放方式，研究射流的速度場(chǎng)可以幫助制定更有效的熱管理策略。通過(guò)及時(shí)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部溫度和壓力變化，以及對(duì)電池充放電過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，可以預(yù)防和控制射流的發(fā)生，降低熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）抑制火焰?zhèn)鞑?。?duì)射流方向的精確研究，可以幫助合理選擇滅火劑的噴射方向；研究射流速度場(chǎng)有助于了解氧氣在火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程中的運(yùn)動(dòng)和分布。通過(guò)合理設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)或安裝隔離屏障，可以有效阻斷氧氣的供應(yīng)，減緩火焰的蔓延。

García 等[3]對(duì)LCO、NMC、LFP 三種電池的熱失控過(guò)程分別進(jìn)行了可視化拍攝，并分析了射流的流動(dòng)形態(tài)與安全閥結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。Mao 等[4]利用COMSOL Multiphysics中的常微分方程組建立了瞬態(tài)活性模型來(lái)描述三元鋰電池?zé)崾Э刂械臍怏w流動(dòng)和射流火焰。采用阿倫尼烏斯方程描述氣體生成動(dòng)力學(xué)，并對(duì)流速進(jìn)行模擬。Li等[5]采用三維CFD模型研究了18650型三元鋰離子電池在排氣過(guò)程中的流場(chǎng)，使用尺度求解模擬方法對(duì)得到的平均速度和脈動(dòng)速度分布進(jìn)行了研究，并對(duì)通風(fēng)口產(chǎn)生的湍流現(xiàn)象進(jìn)行了可視化。Zhou等[6]提出了一種根據(jù)質(zhì)量損失估算安全閥處射流速度的方法，發(fā)現(xiàn)最大射流速度總是出現(xiàn)在安全閥開(kāi)啟的瞬間，其值為42.05m/s；此外，對(duì)安全閥開(kāi)啟前的產(chǎn)氣速率進(jìn)行了定量分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氣速率隨電池表面溫度升高而增大。這些學(xué)者的研究工作多集中對(duì)產(chǎn)氣流速的模擬仿真工作上，而對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)全局速度場(chǎng)的分析研究較少?；诖耍疚牟捎昧Ｗ訄D像測(cè)速技術(shù)對(duì)電池?zé)崾Э貒婇y射流的速度場(chǎng)展開(kāi)研究分析。在粒子圖像測(cè)速技術(shù)中，常用的測(cè)速算法主要可分為光流法和互相關(guān)法。光流算法適用于運(yùn)動(dòng)跟蹤、動(dòng)作識(shí)別、物體檢測(cè)等任務(wù)，具有實(shí)時(shí)性[7]、非侵入性和適用性廣泛等優(yōu)點(diǎn)。然而由于其具有光流不唯一性，可能導(dǎo)致在光照變化或紋理缺失的情況下產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果[8]，并且在連續(xù)圖像序列中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，可能會(huì)因?yàn)檎`差累積而導(dǎo)致跟蹤的不穩(wěn)定性。

由于粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)視頻圖像的質(zhì)量要求較高，而電池噴閥射流中，煙氣濃度高，不同相間可能存在明顯的速度差，導(dǎo)致圖像質(zhì)量受限。在視頻成像過(guò)程中可能存在以下一些問(wèn)題。

（1）運(yùn)動(dòng)速度快導(dǎo)致圖像模糊。電池?zé)崾Э貢r(shí)，射流速度較高，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模糊，從而使視頻圖像質(zhì)量降低。

（2）液滴分布稀疏。液滴的分布可能較為稀疏，這會(huì)導(dǎo)致圖像中能檢測(cè)到的顆粒數(shù)量有限，從而影響粒子的跟蹤和測(cè)速精度，且煙氣的產(chǎn)生也在一定程度上影響辨識(shí)清晰度。

（3）不均勻性和渦旋。由于流場(chǎng)中存在各種不均勻性和渦旋，圖像中的顆?；叶戎悼赡艹霈F(xiàn)較大變化，這會(huì)對(duì)特征提取和跟蹤算法帶來(lái)困難。

（4）存在噪聲。實(shí)際拍攝過(guò)程中，可能存在各種噪聲，如光照噪聲、傳感器噪聲等，這些噪聲會(huì)進(jìn)一步降低圖像的質(zhì)量。

為解決以上問(wèn)題，并考慮到在高溫條件下設(shè)計(jì)安裝示蹤粒子發(fā)射器的困難，本文引入了一系列圖像降噪、增強(qiáng)的方法，彌補(bǔ)了電池噴閥射流過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致PIV 圖像處理質(zhì)量低的問(wèn)題，從而提高了后續(xù)流場(chǎng)的計(jì)算分析的可靠性；在流場(chǎng)速度場(chǎng)的識(shí)別計(jì)算方面，本文采用了結(jié)合雙高斯亞像素精度插值的互相關(guān)算法對(duì)噴射流場(chǎng)進(jìn)行速度場(chǎng)分析，為后續(xù)電池?zé)崾Э叵聡婇y射流流場(chǎng)的研究工作提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與工況

該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括激光發(fā)射系統(tǒng)、電池防爆箱、高速相機(jī)、電池?zé)崾Э匮b置、測(cè)溫模塊和計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖和臺(tái)架實(shí)物圖分別如圖1、圖2 所示。電池選用18650 圓柱形鋰離子電池，實(shí)驗(yàn)前樣品電池經(jīng)過(guò)10 次標(biāo)準(zhǔn)充放電循環(huán)后，充電至100% SOC用于實(shí)驗(yàn)。電池被固定在電池?zé)崾Э匮b置內(nèi)，電池的一半側(cè)面用銅塊加熱，另一半在中間位置設(shè)有熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，用于測(cè)量電池溫度。銅塊側(cè)面有6 個(gè)測(cè)溫孔以便于用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量。測(cè)溫模塊為NI 板卡，其采集所有溫度信息并同步至計(jì)算機(jī)。該裝置放在電池防爆箱內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，箱體正面具有較大視角的觀測(cè)窗口，便于高速相機(jī)成像，左側(cè)部也設(shè)計(jì)有窗口，便于激光進(jìn)入。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2 臺(tái)架實(shí)物圖

激光發(fā)射系統(tǒng)工作原理如圖3所示。當(dāng)激光器電源處于外控狀態(tài)時(shí)（接受外部頻率信號(hào)），外部光閘打開(kāi)，激光經(jīng)豎直方向45°反射鏡反射到導(dǎo)光臂內(nèi)，從導(dǎo)光臂出口輸出激光[9]。在進(jìn)行激光器的檢查準(zhǔn)備工作后，開(kāi)啟制冷機(jī)，連接同步器并設(shè)定頻率為3kHz TTL信號(hào)，跨幀時(shí)間為8μs，脈沖頻寬50μs，電流設(shè)定值為12A，隨后打開(kāi)光閘，輸出波長(zhǎng)為527nm、功率為4.9W 的激光。調(diào)整導(dǎo)光臂保證激光與電池安全閥的出口為垂直狀態(tài)。打開(kāi)高速相機(jī)保持拍攝狀態(tài)，相機(jī)型號(hào)為FORTIC226，具有1024×736的分辨率，跨幀時(shí)間為8μs。打開(kāi)電源對(duì)銅塊進(jìn)行加熱，溫度模塊實(shí)時(shí)采集并記錄溫度數(shù)據(jù)，高速相機(jī)拍攝電池噴閥射流流場(chǎng)。如圖4 所示，通過(guò)對(duì)比圖4 中實(shí)驗(yàn)前拍攝到的空白幀和CT掃描得到的樣品電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)拍攝比例尺為1∶0.02098（空白幀中187.54像素長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)實(shí)際長(zhǎng)度3.93475mm）。

圖3 激光系統(tǒng)工作原理圖

圖4 比例尺確定

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

由于場(chǎng)地設(shè)備和環(huán)境因素的限制，本實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)示蹤粒子發(fā)射器的設(shè)計(jì)安裝。因此需要對(duì)視頻圖像進(jìn)行更為嚴(yán)格的預(yù)處理，以能更清晰地觀察到噴閥射流流場(chǎng)，便于后續(xù)進(jìn)行速度場(chǎng)的辨識(shí)分析工作。

綜合考慮高速相機(jī)相關(guān)電子元器件參數(shù)及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，該實(shí)驗(yàn)視頻成像可能存在以下質(zhì)量問(wèn)題：在高速拍攝過(guò)程中，由于相機(jī)傳感器產(chǎn)生熱量，可能引發(fā)熱噪聲，導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)隨機(jī)的點(diǎn)狀或斑點(diǎn)狀的亮暗變化[10]；在高速拍攝中，由于快門(mén)速度和光照條件的影響，可能會(huì)出現(xiàn)圖像的亮度不均勻以及運(yùn)動(dòng)模糊，尤其對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的流體，可能會(huì)出現(xiàn)大面積無(wú)法識(shí)別的液團(tuán)，使圖像細(xì)節(jié)模糊不清；圖像中可能存在高頻噪聲，表現(xiàn)為圖像中細(xì)節(jié)或邊緣部分的顆粒狀噪聲。這些問(wèn)題可能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)采用自適應(yīng)濾波方法對(duì)視頻圖像進(jìn)行預(yù)處理，流程圖如圖5所示。首先采用巴特沃斯高通濾波方法（BLPF）對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理，以突出視頻圖像液滴的邊緣細(xì)節(jié)特征，使其在后續(xù)處理中更容易檢測(cè)和計(jì)算。HPF能夠增強(qiáng)圖像中的高頻細(xì)節(jié)，抑制低頻成分，并一定程度上能減少圖像的背景和噪聲。然后，相較于固定模板的普通高斯濾波，所采用的自適應(yīng)高斯濾波方法（AGF）能根據(jù)圖像的局部特征來(lái)調(diào)整濾波核的大小和權(quán)重，從而更好地適應(yīng)圖像的變化[11]。在圖像平滑的區(qū)域，AGF 能夠更好地降低噪聲，在細(xì)節(jié)和邊緣特征上的保留效果也更加顯著。這樣的處理方式有助于保持圖像的細(xì)節(jié)信息并減少處理過(guò)程中可能引入的不必要的模糊。最后采用直方圖均衡化（HE）來(lái)重新分配射流實(shí)驗(yàn)視頻圖像像素的灰度級(jí)，使得圖像的像素值在整個(gè)灰度范圍內(nèi)更均勻分布[12]，從而提高圖像的對(duì)比度，并增強(qiáng)細(xì)節(jié)的顯示效果。

圖5 實(shí)驗(yàn)方法流程圖

本實(shí)驗(yàn)采用基于雙高斯亞像素精度插值的互相關(guān)計(jì)算方法，其本質(zhì)是測(cè)量?jī)蓚€(gè)圖像之間相似性[13]的計(jì)算方法。在每幀圖像中，選擇一個(gè)特征模板，該模板通常是一個(gè)小的局部圖像區(qū)域[14]，用于表示顆?；蛭矬w的特征，接著在另一幀圖像中搜索與特征模板最相似的位置。通過(guò)將特征模板和搜索圖像進(jìn)行卷積計(jì)算，并計(jì)算卷積結(jié)果的相關(guān)性來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)圖像的相似程度。通過(guò)分析相關(guān)性圖像，找到最大相關(guān)性值所在的位置，該位置對(duì)應(yīng)于特征模板在搜索圖像中的最佳匹配位置。然后計(jì)算特征模板中心位置和最佳匹配位置之間的位移向量，該位移向量表示顆粒在相鄰圖像幀之間的位移量。最后，根據(jù)位移向量和已知的時(shí)間間隔，可以計(jì)算出顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。

在互相關(guān)計(jì)算得到的僅是位移向量（Δx, Δy）粗略的估計(jì)值，結(jié)合亞像素精度插值來(lái)提高測(cè)速的精確性和穩(wěn)定性[15]。其中采用高斯函數(shù)對(duì)互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行擬合，以準(zhǔn)確找到互相關(guān)函數(shù)的峰值位置，從而獲得更準(zhǔn)確的顆粒位移信息。然而由于顆粒圖像可能存在不均勻的光照、遮擋或顆粒分布不均等問(wèn)題，單個(gè)高斯函數(shù)擬合可能無(wú)法完全準(zhǔn)確地找到峰值。本實(shí)驗(yàn)采用的雙高斯擬合方法能夠更好地處理這些復(fù)雜情況，從而提高測(cè)速結(jié)果的可靠性。然后采用窗函數(shù)來(lái)消除邊界效應(yīng)并進(jìn)一步減小噪聲影響，使得靠近邊界的像素對(duì)互相關(guān)計(jì)算的貢獻(xiàn)較小。其次對(duì)多幀圖像進(jìn)行平均化，以減少隨機(jī)誤差。最后進(jìn)行剔除異常值的后處理工作，以進(jìn)一步提高測(cè)速結(jié)果的可靠性和精確性。

2 結(jié)果和分析

2.1 視頻流場(chǎng)初分析

圖6中黑色曲線為電池溫度變化曲線，當(dāng)電池溫度被加熱至150℃時(shí)，鋰電池內(nèi)部達(dá)到臨界壓力，安全閥開(kāi)啟（T=t0時(shí)刻標(biāo)定為安全閥打開(kāi)的時(shí)刻），釋放內(nèi)部積聚的可燃?xì)怏w、電解質(zhì)蒸氣以及液滴。高速相機(jī)拍攝記錄的噴閥射流持續(xù)時(shí)間約為12000μs。如圖7 所示，提取噴閥射流6 幀原始圖像并對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行初步分析。本實(shí)驗(yàn)研究重點(diǎn)在于對(duì)噴閥射流速度場(chǎng)的計(jì)算分析，故對(duì)實(shí)驗(yàn)后期階段速度場(chǎng)僅作簡(jiǎn)要分析和概括。

圖6 電池溫度變化曲線圖

圖7 不同時(shí)刻的流場(chǎng)圖

（1）從T=t0+8μs時(shí)刻開(kāi)始，高速相機(jī)捕捉到電池正極噴射出稀疏的小液滴。

（2）在T=t0+(8～72μs)該段時(shí)間內(nèi)，液滴大量噴出。射流行為受電池內(nèi)部的溫度和壓力變化影響，在實(shí)驗(yàn)前期液滴會(huì)發(fā)生聚并現(xiàn)象從而形成尺寸較大的液團(tuán)和液絲，該現(xiàn)象與電解液的物性參數(shù)如表面張力、黏度等有關(guān)，還受到射流速度和安全閥結(jié)構(gòu)的影響。

（3）在T=t0+304μs時(shí)，由于液滴受到空氣阻力和浮力等力作用，相較于之前，液滴運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生細(xì)小變化。液滴與周?chē)諝庵g存在氣液界面，由于氣液界面上的蒸氣壓力和外界壓力的差異，以及液滴溫度和環(huán)境溫度之間的差異，蒸氣會(huì)從液滴表面逸出，導(dǎo)致液滴逐漸蒸發(fā)和氣化。此時(shí)的射流呈明顯氣液兩相狀態(tài)，噴霧左側(cè)氣液邊界線與水平線夾角大約為45°。

（4）在T=t0+(304～792μs)期間，由于表面液體分子發(fā)生氣化，表面張力差異增大，液滴更加不穩(wěn)定。此外，慣性會(huì)導(dǎo)致液滴發(fā)生形變和振動(dòng)，液滴不斷破碎，形成更小的液滴。

（5）在T=t0+2864μs 時(shí)可以明顯觀察到，在相變和氣化過(guò)程中，電解液的部分成分在氣液界面形成膠狀物質(zhì)，另一部分形成了一些高聚結(jié)構(gòu)。同時(shí)，部分膠狀物質(zhì)在外部環(huán)境的冷卻作用下迅速結(jié)為團(tuán)塊狀物質(zhì)。

（6）從T=t0+22912μs開(kāi)始，在后續(xù)的時(shí)間段內(nèi)高速相機(jī)只能拍攝到稀疏的小液滴，且有部分膠狀物質(zhì)殘留。

2.2 圖像預(yù)處理結(jié)果分析

為了避免在直方圖均衡化過(guò)程中增強(qiáng)噪聲的影響，在本實(shí)驗(yàn)中采用的視頻圖像預(yù)處理的順序安排為：首先，用高通濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理，以增強(qiáng)圖像的邊緣和細(xì)節(jié)。接下來(lái)采用自適應(yīng)高斯濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行去噪，以有效地減少圖像中的噪聲干擾。最后，對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行直方圖均衡化，以提升圖像的對(duì)比度和視覺(jué)質(zhì)量。

在圖像增強(qiáng)方面，本實(shí)驗(yàn)選擇在頻域內(nèi)采用二階巴特沃斯高通濾波方法對(duì)視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)。如圖8 所示，相比于理想高通濾波，二階BHPF 有平滑的過(guò)渡區(qū)域，不會(huì)引起明顯的振鈴效果，從而在空域上產(chǎn)生更自然的結(jié)果。此外，其濾波特性可通過(guò)調(diào)整濾波器的階數(shù)和截止頻率來(lái)控制，二階BHPF能夠?qū)Ρ緦?shí)驗(yàn)的視頻圖像進(jìn)行較好的增強(qiáng)。

圖8 圖像增強(qiáng)結(jié)果對(duì)比圖

圖9為采用不同圖像降噪方法處理的結(jié)果。在評(píng)估圖像去噪效果時(shí)，峰值信噪比（PSNR）是一項(xiàng)重要指標(biāo)，用來(lái)衡量原始信號(hào)和處理后信號(hào)之間的相對(duì)誤差，其計(jì)算為式(1)。

圖9 圖像去噪結(jié)果比較

式中，MAX 是表示圖像中像素值的最大可能值，對(duì)于8位灰度圖像，MAX為255。對(duì)于多通道的彩色圖像，MAX通常為255，因?yàn)樗紤]了RGB三個(gè)通道的最大像素值。

MSE 是均方誤差，用來(lái)衡量?jī)煞鶊D像之間的差異。MSE的計(jì)算公式為式(2)。

式中，I(i,j)表示原始圖像中位置(i,j)的像素值；K(i,j)表示處理后圖像中位置(i,j)的像素值；m和n分別表示圖像的高度和寬度；mn為像素總數(shù)。

通過(guò)計(jì)算可得采用不同降噪方法后各圖像與原圖像的PSNR值，結(jié)果如表1所示。

表1 不同濾波方法處理后的PSNR值

在本實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)比PSNR值和對(duì)比圖9(b)、（c)、(d)、(e)的處理結(jié)果，對(duì)采用不同降噪方法對(duì)視頻圖像進(jìn)行處理進(jìn)行了評(píng)估：PSNR 值越大表示圖像質(zhì)量越好，結(jié)果顯示本實(shí)驗(yàn)采用自適應(yīng)濾波方法能夠?qū)υ撘曨l很好地進(jìn)行降噪銳化處理。均值濾波對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中非均勻噪聲的處理效果較差，僅適用于一些簡(jiǎn)單的噪聲抑制工作。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的視頻圖像，雖然中值濾波得到的PSNR值較高，但其對(duì)于較小范圍的噪聲存在過(guò)度平滑，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失嚴(yán)重。與僅采用高斯濾波方法相比，圖9(d)中仍能觀察到較大尺寸的液團(tuán)，且部分區(qū)域仍受到一定程度的噪聲干擾，嚴(yán)重影響后續(xù)速度場(chǎng)的分析。而經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波方法處理后的視頻圖像，能夠更加清晰地辨別出射流液滴，即在去噪的同時(shí)保持粒子的邊緣信息，避免產(chǎn)生模糊效果。該方法對(duì)高斯核大小進(jìn)行調(diào)整，可自動(dòng)控制濾波的平滑程度，在圖像中一些稠密且液滴尺寸較小的區(qū)域，該方法自動(dòng)減小高斯核的大小，保留更多的細(xì)節(jié)信息。

此外，對(duì)比圖9(e)、（f），直方圖均衡化能有效增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，對(duì)于降噪銳化后的圖像，該方法處理后使得更小的液滴的邊緣細(xì)節(jié)更加明顯，從而提高了后續(xù)互相關(guān)算法的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)比度增強(qiáng)后，圖像中液滴和背景之間的灰度差異更加顯著，有利于算法更準(zhǔn)確地識(shí)別液滴位置。最后，直方圖均衡化還將背景像素的灰度值拉伸到適當(dāng)范圍，使得背景區(qū)域更加均勻，進(jìn)一步減少了噪聲對(duì)檢測(cè)和測(cè)速的影響，同時(shí)也顯著改善了圖像的視覺(jué)效果，使圖像更加清晰且便于觀察。

2.3 速度場(chǎng)分析計(jì)算

將預(yù)處理完成的視頻逐幀進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，繪制并提取6個(gè)時(shí)間點(diǎn)速度場(chǎng)云圖，截取射流高速階段6 幀原圖像如圖10 所示，速度場(chǎng)結(jié)果如圖11 所示，分析結(jié)果如下。

圖10 不同時(shí)刻流場(chǎng)

圖11 不同時(shí)刻速度場(chǎng)

（1）在T=t0+80μs時(shí)刻，由于電池內(nèi)部溫度處于較高狀態(tài)、內(nèi)部壓力較大且噴射口尺寸較小，導(dǎo)致出口處射流速度較高，即70～85m/s 的高速區(qū)域更集中在出口處。此時(shí)流場(chǎng)方向呈現(xiàn)出單一性，大部分速度方向表現(xiàn)出較好的一致性。

（2）在T=t0+328μs 時(shí)刻，部分液滴發(fā)生氣化現(xiàn)象，加之液滴的不穩(wěn)定性和相互作用，導(dǎo)致電解液出口處的液滴運(yùn)動(dòng)軌跡已發(fā)生變化，高速區(qū)域向外擴(kuò)展。

（3）在T=t0+392μs時(shí)刻，由于出口速度較高，液體具有較大的動(dòng)量，而且因?yàn)榭臻g擴(kuò)散，液體流束的橫截面積在增大，導(dǎo)致液體的速度相應(yīng)地減小。同時(shí)考慮空氣阻力等因素，高速區(qū)域的速度約為70m/s，相比之前時(shí)刻有所下降。然而由于動(dòng)量守恒原理以及氣液間速度的不一致性，液滴在某些區(qū)域的速度可能仍比出口的速度高。在出口的右上部區(qū)域中，發(fā)生氣化的液滴受到溫度和濃度差異的驅(qū)動(dòng)，其密度會(huì)發(fā)生改變，在重力場(chǎng)的作用下部分液滴發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象，但速度較小。

（4）在T=t0+496μs 時(shí)刻，液滴氣化進(jìn)一步進(jìn)行，部分液滴斷裂，各處速度相比前一時(shí)刻約下降15m/s。此時(shí)的高速區(qū)域的速度場(chǎng)仍呈現(xiàn)良好的一致性，但集中區(qū)域進(jìn)一步向外擴(kuò)展。在出口左方區(qū)域出現(xiàn)微弱的渦旋流動(dòng)現(xiàn)象。

（5）當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展到T=t0+632μs 時(shí)，考慮到電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)的不穩(wěn)定性，可能存在短暫突然的激烈化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致存在部分液體在此時(shí)可以以相對(duì)高的速度噴出，但相較于實(shí)驗(yàn)初期，高速區(qū)域已不再集中，且速度值約下降20m/s。在出口上方部分區(qū)域可能存在湍流現(xiàn)象。

（6）最后在T=t0+872μs 時(shí)，各個(gè)區(qū)域的速度明顯下降，各區(qū)域速度方向也較之前呈現(xiàn)規(guī)律性。此時(shí)至后續(xù)階段，射流流場(chǎng)具有較好的穩(wěn)定性。

如圖12 所示，對(duì)單點(diǎn)速度場(chǎng)在時(shí)間上的變化進(jìn)行擬合后可發(fā)現(xiàn)速度大致呈現(xiàn)為指數(shù)式下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)前期階段液滴速度會(huì)在短時(shí)間迅速降低，從4000μs后液滴速度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

圖12 單點(diǎn)速度變化曲線圖

對(duì)于射流階段一些特征點(diǎn)可采用人工標(biāo)定計(jì)算出相應(yīng)的速度，如圖13 所示，該結(jié)果可作為上述實(shí)驗(yàn)方法的輔助驗(yàn)證參考，上述實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算得到的結(jié)果與人工標(biāo)定方法計(jì)算得到的速度處在相同區(qū)間中。且互相關(guān)算法已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的理論體系，在一些商業(yè)化軟件中已經(jīng)得到了應(yīng)用。作為較常用的圖像測(cè)速算法，該方法較好地計(jì)算出相鄰圖像之間的空間相關(guān)性[16]。近年來(lái)也不斷有學(xué)者在標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，Gao 等[17]搭建了簡(jiǎn)化的PIV裝置，使用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)互相關(guān)算法和光流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)射流流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，此研究的對(duì)比基準(zhǔn)就是建立在標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)算法基礎(chǔ)之上的。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可靠性。

3 結(jié)論

采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)三元鋰電池在熱失控時(shí)的噴閥射流進(jìn)行了深入研究。采用高通濾波結(jié)合自適應(yīng)高斯濾波方法對(duì)視頻圖像進(jìn)行了銳化和去噪處理，同時(shí)采用直方圖均衡化對(duì)圖像的灰度范圍進(jìn)行拉伸。隨后采用結(jié)合亞像素精度插值方法的互相關(guān)算法對(duì)射流流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了噴閥射流流場(chǎng)的可視化和速度場(chǎng)辨識(shí)分析。以下為主要結(jié)論。

（1）通過(guò)對(duì)視頻中流場(chǎng)的初步分析發(fā)現(xiàn)，在射流初期，液滴會(huì)出現(xiàn)聚并現(xiàn)象，受表面張力和溫度差異影響，較大尺寸的液滴以及液絲會(huì)出現(xiàn)斷裂破碎。隨著時(shí)間推移，流場(chǎng)左側(cè)氣液分界線與水平方向夾角也會(huì)緩慢減小，最后在出口處形成膠狀物質(zhì)。

（2）經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波處理后，視頻圖像的PSNR 有所提升，能有效降低圖像的噪聲，圖像平滑效果顯著。此外，處理后能從有較大尺寸液團(tuán)和液絲的模糊圖像中清晰辨別檢測(cè)尺寸較小的液滴。直方圖均衡化進(jìn)一步增強(qiáng)了視頻圖像的對(duì)比度，并突出了細(xì)節(jié)信息。

（3）在射流前期，速度范圍大致在45～85m/s，該階段速度快速下降，射流后期各區(qū)域的速度緩慢降低。高速區(qū)的集中會(huì)出現(xiàn)從出口處附近向外遷移的現(xiàn)象，流場(chǎng)的中心區(qū)速度方向呈現(xiàn)良好的一致性，在流場(chǎng)的邊緣區(qū)域則會(huì)出現(xiàn)對(duì)流和湍流等流態(tài)現(xiàn)象。

但本文的工作研究仍有不足之處，在以下方面作出總結(jié)與展望。

（1）因電池個(gè)體差異性，暫未考慮用其他電池在不同焦平面的射流特性來(lái)定量驗(yàn)證此電池在此焦平面的射流特性，后續(xù)可研究不同焦平面下射流速度分布的對(duì)比結(jié)果。

（2）可考慮采用熱線風(fēng)速儀等傳感器對(duì)射流速度場(chǎng)單點(diǎn)速度進(jìn)行定量分析，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的輔助驗(yàn)證，進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證的可靠性。

（3）對(duì)其他類(lèi)型電池展開(kāi)相關(guān)研究，以驗(yàn)證該方法的普遍適用性。