基于船用動(dòng)力鋰電池的氫氣爆燃特性數(shù)值分析

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所，鄭州 450015；2.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院 北京 100028；3.32026部隊(duì)，河南 開(kāi)封 475000)

鋰離子電池以其體積小、質(zhì)量輕、高密度儲(chǔ)能量大、續(xù)航和加速能力強(qiáng)等特點(diǎn)在船海領(lǐng)域得以廣泛使用[1]。而船舶或潛艇的電力推進(jìn)系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)等鋰電池在使用過(guò)程中，有氫氣的釋放，基于氫氣易擴(kuò)散的物理特性，考慮氫氣在空氣條件下極寬的燃燒爆炸濃度范圍(體積濃度范圍內(nèi)4%～75%可燃，在48.3%～59%可能發(fā)生爆轟)[2]，結(jié)合鋰電池在船舶和潛艇動(dòng)力艙特有的封閉空間，鋰離子電池釋放的氫氣可能引發(fā)火災(zāi)及爆炸，給船舶和潛艇帶來(lái)巨大安全威脅[3-5]。已有的研究表明，氫氣自燃向持續(xù)燃燒的轉(zhuǎn)變過(guò)程與漩渦夾帶燃燒混合物至回流區(qū)的過(guò)程有關(guān)[6]；有研究聚焦于著火點(diǎn)發(fā)生面以及沖擊波的發(fā)展[7]；有學(xué)者研究潛艇微氫環(huán)境中柴油燃燒動(dòng)力學(xué)特性，分析蓄電池在無(wú)溫度補(bǔ)償?shù)母〕涔r下的析氫和析氧過(guò)程[8]；有學(xué)者進(jìn)行了大直徑管道內(nèi)預(yù)混氣體爆燃火焰?zhèn)鞑サ膶?shí)驗(yàn)，推導(dǎo)了爆燃火焰?zhèn)鞑ツＰ筒⒌玫交鹧鎮(zhèn)鞑ゾ嚯x與時(shí)間關(guān)系式的系數(shù)值[9]。本文通過(guò)使用流體仿真軟件對(duì)船用鋰離子電池可能釋放的不同濃度的氫氣的火災(zāi)爆炸進(jìn)行數(shù)值模擬，探討氫氣發(fā)生火災(zāi)爆炸時(shí)超壓、溫度及速度等爆炸特征參數(shù)的分布以及隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析爆炸特征參數(shù)在水平方向和垂直方向的差異，分析濃度對(duì)火災(zāi)爆炸規(guī)律的影響，獲取不同濃度下的最大超壓，給船舶動(dòng)力艙爆炸危害評(píng)估及相應(yīng)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 物理模型

船舶動(dòng)力鋰電池的氫氣泄漏后，和氫氣發(fā)生預(yù)混，氫氣-空氣預(yù)混氣體火災(zāi)爆炸的流場(chǎng)屬于高溫、高速和高壓力梯度的湍流流場(chǎng)，遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒定律。N-S基本控制方程組可以表示為

1)質(zhì)量守恒方程。

(1)

2)動(dòng)量守恒方程。

(2)

3)能量守恒方程。

(3)

4)狀態(tài)方程。

P=P(ρ,T)

(4)

通常直接求解(1)～(4)式偏微分方程組十分困難，一般采用有限體積法來(lái)對(duì)控制方程組進(jìn)行離散，用數(shù)值解近似代替解析解，并在控制體內(nèi)積分得到

?CV▽·(ρφV)dτ=

?CV▽·(Γφ▽?duì)?dτ+?CVSφdτ

(5)

式中：φ為通用變量；Γφ為擴(kuò)散系數(shù)；V為控制體積；Sφ為源項(xiàng)。

在氫氣火災(zāi)爆炸反應(yīng)流的求解中，除了以上4個(gè)控制方程外，為了使得控制方程組封閉，補(bǔ)充組分控制方程，其中參與化學(xué)反應(yīng)的各組分都滿足質(zhì)量守恒，組分方程為

s=CH4,O2,CO,CO2,H2O

(6)

式中：Ys為組分s的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；Ds為組分s的擴(kuò)散系數(shù)；Rs為組分s的質(zhì)量生成率。

氫氣-空氣預(yù)混氣體爆炸湍流模型一般使用k-ε模型，本文模擬采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

2 仿真模型

建立小規(guī)模氫氣-空氣預(yù)混氣體火災(zāi)爆炸模型，直徑0.5 m的預(yù)混云團(tuán)在邊長(zhǎng)為2.5 m的正方體空間中發(fā)生爆炸，點(diǎn)火位置距地面0.25 m，火災(zāi)爆炸計(jì)算相關(guān)初始參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)計(jì)算參數(shù)

2.1 計(jì)算工況的選取

一般認(rèn)為氫的最小點(diǎn)燃能量0.019 mJ只能點(diǎn)燃化學(xué)計(jì)量氫氣體積分?jǐn)?shù)為濃度的29.5%的氫-空氣混合物，而不能點(diǎn)燃其他濃度的混合物，特別是在可燃下限和上限時(shí)點(diǎn)燃能量要大得多。有研究顯示當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)，點(diǎn)火能迅速躍升，即當(dāng)氫含量低于該值時(shí)，氫點(diǎn)火被強(qiáng)烈抑制；同樣的，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于70%時(shí)氫氣點(diǎn)火同樣被強(qiáng)烈抑制[10]。

液氫發(fā)生泄漏后，產(chǎn)生的氫云團(tuán)體積分?jǐn)?shù)一般低于52%，且較高體積分?jǐn)?shù)的位置集中在泄漏源附近或液氫池表面附近，這些位置溫度極低，不易著火。因此本文選取氫氣體積分?jǐn)?shù)分別為10%、29%、45%的工況進(jìn)行計(jì)算。

2.2 假設(shè)條件

仿真計(jì)算過(guò)程中作如下假設(shè)：①預(yù)混氣體看作是理想氣體；②氫氣燃燒反應(yīng)使用一步總包反應(yīng)，不考慮氫氣燃燒的詳細(xì)反應(yīng)機(jī)理；③氣體的比熱恒定；④氣體的物理粘性系數(shù)符合Sutherland定律。

3 計(jì)算結(jié)果和分析

3.1 體積分?jǐn)?shù)為29%時(shí)爆炸特性分析

氫氣體積分?jǐn)?shù)為29%計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同時(shí)刻壓力場(chǎng)分布云圖

如圖1所示，氫氣-空氣預(yù)混氣體點(diǎn)火后不同時(shí)刻壓力分布圖可以看出壓力波的整個(gè)傳播過(guò)程，包括壓力波運(yùn)動(dòng)至地面上形成的反射波，以及反射波和壓力波的疊加作用，其中靠近地面的壓力波與反射波疊加作用的區(qū)域?yàn)槌瑝旱姆逯祬^(qū)域。在t=0.2 ms時(shí)直徑為0.1 m的區(qū)域內(nèi)壓強(qiáng)均大于0.1 MPa，壓力大小從中心點(diǎn)火區(qū)域往外遞減。在t=0.6 ms時(shí)，壓力波運(yùn)動(dòng)至地面被反射，最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在地面上，由于反射波的疊加作用，地面附近的壓力大于0.18 MPa，點(diǎn)火中心區(qū)域壓強(qiáng)隨著壓力波的運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)空心，中心壓力減小，壓力波峰面在直徑為0.58 m的區(qū)域。

t=1 ms顯示在垂向上，反射后的壓力波即將追上原來(lái)的壓力波，在貼近地面直徑為1 m處壓力波疊加壓力最大。t=6 ms顯示壓力波已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至直徑大于5 m的區(qū)域，整個(gè)5 m區(qū)域內(nèi)壓力漸趨平均，最大壓力也越來(lái)越小。

不同時(shí)刻溫度云圖見(jiàn)圖2，可以看出火焰的蔓延，在同一時(shí)刻，速度云圖和壓力云圖相比，高溫區(qū)域遠(yuǎn)小于高壓區(qū)域，說(shuō)明火焰的傳播速度遠(yuǎn)小于壓力波的傳播速度。

圖2 不同時(shí)刻溫度流場(chǎng)分布云圖

速度云圖顯示隨著火災(zāi)的發(fā)展最高溫度變大，和壓力波隨時(shí)間的衰減完全相反。此外點(diǎn)火中心溫度隨著火焰的蔓延持續(xù)變化，時(shí)而高于周圍溫度時(shí)而低于周圍溫度，完全取決于火焰的發(fā)展蔓延。t=1 ms顯示火焰蔓延到地面后，在貼近地面區(qū)域形成高溫區(qū)域，由于仿真過(guò)程中地面設(shè)置為絕熱壁面，和實(shí)際情況不一致，實(shí)際火災(zāi)蔓延至地面后會(huì)向大地方向傳導(dǎo)熱量，地面溫度會(huì)小于這一數(shù)值。t=6 ms地面火焰和點(diǎn)火中心火焰已經(jīng)完全融合。

在水平中心軸線上，隨著時(shí)間的推移,最大壓力波持續(xù)衰減,見(jiàn)圖3。

圖3 不同時(shí)刻中心軸線壓力隨位置的變化

高壓區(qū)域持續(xù)向外運(yùn)動(dòng)，不同時(shí)刻高壓區(qū)域變化較大，在點(diǎn)火初期高壓區(qū)域在中心，當(dāng)反射后的壓力波運(yùn)動(dòng)至中心軸線高度上，中心區(qū)域壓力波再次升高，其他時(shí)刻高壓區(qū)在壓力波運(yùn)動(dòng)鋒面。

中心軸線不同位置測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。

圖4 中心軸線不同位置測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化

圖4顯示，最大超壓出現(xiàn)在點(diǎn)火中心x=0處，在0.26 ms時(shí)超壓達(dá)到最大值0.205 MPa，隨著x向的變大，在x=0.4 m、0.8 m、1.0 m在2.0 m處最大超壓持續(xù)變小，出現(xiàn)的時(shí)間也越來(lái)越晚。由圖4可以預(yù)測(cè)在2 m之外的區(qū)域最大超壓小于20 kPa。

中心軸線不同位置測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖5。

圖5 中心軸線不同位置測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

圖5顯示點(diǎn)火后爆炸區(qū)域溫度升高的過(guò)程，點(diǎn)火中心會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)高溫，隨后溫度略微下降，后升高至約2 400 K，不再變化。在整個(gè)過(guò)程中，中心溫度一直處于最高溫度。

在5 ms，x=0.6 m處測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始升高，也即爆炸火焰發(fā)展到這一區(qū)域，而在y=0.6 m處需要帶10 ms左右火焰才能發(fā)展至此，并且垂向的溫度短時(shí)間內(nèi)達(dá)到水平向的溫度，也即垂向的溫度梯度更大，見(jiàn)圖6。

圖6 水平和垂向中心不同位置測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

在x=1 m和y=1 m處同樣也是這種現(xiàn)象，差異是溫度梯度小于0.6 m。這是由于在地面和重力作用的共同影響下，爆炸高溫區(qū)域不完全是圓形，而是一個(gè)水平方向大于垂直方向的扁形橢圓火球，圖1中1 ms的溫度云圖可以看出明顯的橢圓形。在30 ms之后水平和垂向的溫度基本一致，在30 ms時(shí)溫度云圖見(jiàn)圖7，高溫區(qū)域是以地面為直徑的半球，最高溫度2 400 K和1 ms時(shí)最高溫度一致。

圖7 t=30 ms時(shí)溫度分布云圖

3.2 不同體積分?jǐn)?shù)結(jié)果比較

圖8 不同濃度下點(diǎn)火中心壓力隨時(shí)間的變化

體積分?jǐn)?shù)為10%、29%、45%氫氣-空氣預(yù)混氣體點(diǎn)火后，點(diǎn)火中心位置超壓衰減規(guī)律曲線見(jiàn)圖8。圖8表明基本一致，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)最大超壓為0.103 MPa，體積分?jǐn)?shù)為29%時(shí)最大超壓為0.210 MPa，體積分?jǐn)?shù)為45%時(shí)最大超壓為0.045 MPa，可以看出不同濃度的氫氣-空氣預(yù)混氣體點(diǎn)火后最大超壓剛開(kāi)始隨著濃度(大量研究表明在體積分?jǐn)?shù)在29%左右)的增大而增大，增大到一定程度后最大超壓隨濃度的增大而減小。這個(gè)規(guī)律和不同濃度下所需的最低點(diǎn)火能規(guī)律相一致。

以上10%、29%和45%氫氣體積分?jǐn)?shù)下爆炸溫度與超壓的變化趨勢(shì)顯示，隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，爆炸產(chǎn)生溫度及超壓峰值也隨之增加，但當(dāng)氫氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到某一臨界值時(shí)，爆炸威力反而減小。3種濃度下點(diǎn)火中心最大壓力和最高溫度匯總見(jiàn)表2，可供防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

表2 不同氫氣濃度下點(diǎn)火中心最大壓力和最高溫度

4 結(jié)論

1)船用動(dòng)力鋰電池氫氣泄漏在燃燒爆炸初始階段，在底面和重力的共同作用下，形成一個(gè)橫向尺寸大于垂向的橢圓火球，隨著燃燒的持續(xù)進(jìn)行，形成以底面為直徑的半球形高溫區(qū)并向動(dòng)力艙周圍蔓延。

2)隨著氫氣濃度變大，爆炸產(chǎn)生的最大超壓增大，當(dāng)氫氣體積濃度達(dá)到一定程度后，隨后隨著氫氣的繼續(xù)增大，最大超壓會(huì)減小，爆炸威力反而減弱。

3)對(duì)于封閉空間的船舶動(dòng)力艙，鋰離子電池釋放的氫氣濃度到達(dá)可燃濃度下限前需要提前預(yù)警，及時(shí)增加氮?dú)饬康淖⑷胍韵♂寶錃?，防止氫氣隨著動(dòng)力鋰電池持續(xù)釋放氫氣積累并引發(fā)爆炸。