細(xì)水霧滅火劑抑制鋰電池?zé)崾Э財(cái)?shù)值模擬研究

白偉

[摘 要]鋰電池?zé)崾Э貑栴}日益突出，滅火劑的正確選擇關(guān)系到抑制鋰電池?zé)崾Э爻晒εc否，而滅火裝置的參數(shù)設(shè)定更是重中之重。通過火災(zāi)數(shù)值模擬的方法可有效解決上述問題，因此本論文利用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件對細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э匦ЧM(jìn)行分析，對最佳的細(xì)水霧參數(shù)進(jìn)行探討，通過仿真得到的鋰電池溫度曲線圖對比得出細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э刈顑?yōu)參數(shù)設(shè)置為流量2L/min、霧錐角45°、霧滴粒徑100um、噴霧速度30m/s，為工程實(shí)際做指導(dǎo)。

[關(guān)鍵詞]鋰電池?zé)崾Э兀籉DS數(shù)值模擬；最優(yōu)參數(shù)選擇

隨著科技的進(jìn)步，鋰電池在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛運(yùn)用，使用數(shù)量增加，使用頻率提高，鋰電池易燃易爆，不穩(wěn)定，容易短路等缺點(diǎn)逐漸暴露。2009年11月7日位于加拿大特雷爾市發(fā)生了一起迄今為止影響最大的因?yàn)榛厥諆Υ驿囯姵囟l(fā)的火災(zāi)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失950萬美元。據(jù)國際民航運(yùn)輸協(xié)會統(tǒng)計(jì)，自2008 年至2012年，四年期間空運(yùn)鋰電池的數(shù)量達(dá)到了12億，近年來不管是國內(nèi)還是國外，都發(fā)生過多次因鋰電池引發(fā)的與航空運(yùn)輸有關(guān)的事故征候，以及許多與運(yùn)輸鋰電池和鋰電池為電源的設(shè)備有關(guān)的事故征候。

目前使用的滅火劑種類主要包括：氣體滅火劑、泡沫滅火劑、水滅火劑和粉體滅火劑，分析傳統(tǒng)滅火劑滅火機(jī)理并結(jié)合鋰電池?zé)崾Э靥攸c(diǎn)，發(fā)現(xiàn)以二氧化碳、惰性氣體為代表的氣體滅火劑其滅火原理為隔絕氧氣，但因?yàn)殇囯姵卦跓o氧條件下仍能夠發(fā)生反應(yīng)，所以氣體滅火劑不能長期抑制鋰離子電池?zé)崾Э亍Ｅ菽瓬缁饎┲饕獪缁饳C(jī)理為冷卻作用和窒息，大部分鋰電池表面積小，僅能附著很少量的泡沫，加上上述通過隔絕氧氣的方式抑制鋰離子電池?zé)崾Э啬芰Σ蛔恪Ｋ耘菽瓬缁饎┮种其囯姵責(zé)崾Э卮嬖诓蛔悖詿釟馊苣z和細(xì)水霧為代表的氣溶膠滅火劑主要滅火機(jī)理為冷卻吸熱，使用過程中熱氣溶膠進(jìn)入火場后由于自身原因產(chǎn)生大量高溫，對于能夠復(fù)燃的鋰離子電池?zé)崾Э剡^程存在缺陷。干粉滅火劑抑制作用主要為冷卻降溫、隔離作用，其中超細(xì)干粉滅火劑遇熱之后每一步都是吸熱反應(yīng)，吸收大量熱，發(fā)生分解。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)干粉滅火劑對鋰電池?zé)崾Э責(zé)o明顯作用。所以本文選擇細(xì)水霧滅火劑抑制鋰電池火災(zāi)。

一、細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э財(cái)?shù)值模擬場景設(shè)定

1.鋰電池拜擺放設(shè)定

為研究細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э匦Ч瑢囯姵赝ㄟ^金屬板固定，直線型排布。其形式為8節(jié)鋰電池放置在孔徑為19mm的金屬板中，如圖1所示。

2.燃燒熱釋放速率設(shè)定

FAA 曾對 18650 型鋰離子電池進(jìn)行了熱釋放速率的測定，獲得了其燃燒時(shí)的熱釋放速率曲線，因此本文借助其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)作為單一燃燒單元的熱釋放速率進(jìn)行設(shè)定，該曲線如圖2所示[6-8]。

3.網(wǎng)格設(shè)定

網(wǎng)格的數(shù)量在很大程度上直接影響到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此本模型中將網(wǎng)格大小設(shè)置為 0.01 m×0.01 m×0.01 m，共計(jì)22500個(gè)網(wǎng)格。直線型排布鋰電池?zé)崾Э匾种葡到y(tǒng)仿真模型如圖3所示

4.其他參數(shù)設(shè)定

初始環(huán)境溫度設(shè)定為20℃，仿真時(shí)間為20 s。在橫向0.105、0.115直到0.215每隔0.1設(shè)置一塊溫度切片，用來監(jiān)測火災(zāi)及滅火過程中的溫度變化。仿真階段，單次仿真耗時(shí)1 h左右，產(chǎn)生80 M左右的數(shù)據(jù)量。設(shè)置Surface時(shí)與之前定義的Li材料相關(guān)聯(lián)，參數(shù)如圖4所示。

二、細(xì)水霧參數(shù)抑制鋰電池?zé)崾Э匦Ч挠绊懛治?/p>

1.為研究細(xì)水霧霧滴直徑對滅火效果的影響，首先對不施加細(xì)水霧情況下的鋰電池燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，隨后對噴射速度為 30m/s、噴霧強(qiáng)度為 2 L/min、霧滴直徑分別為 30μm、50μm、100μm、200μm、250μm的單相流細(xì)水霧滅火過程進(jìn)行仿真計(jì)算。如圖5所示

通過圖5發(fā)現(xiàn)隨著霧滴粒徑的不斷減小，細(xì)水霧滅火劑抑制鋰電池?zé)崾Э匦Ч黠@增加，不施加細(xì)水霧的情況下，鋰電池溫度居高不下直到所有電池全部爆炸。但當(dāng)霧滴粒徑達(dá)到100um以下時(shí)，會發(fā)現(xiàn)抑制效果改變的并不明顯，霧滴粒徑的減小會提高細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э氐哪芰Γ?dāng)減小到一定程度之后，效果就會減弱，霧滴粒徑增大時(shí)，鋰電池單位表面積上附著的顆粒變少，吸收溫度的能力變小，效果反而變差。針對本仿真，100um的綜合優(yōu)點(diǎn)要優(yōu)于其他粒徑，所以選擇100um。

2.為研究細(xì)水霧噴霧速度對直線型鋰電池排布熱失控抑制效果的影響。由理論計(jì)算及對細(xì)水霧噴霧速度的實(shí)際測量可知，常見細(xì)水霧噴頭在噴嘴附近產(chǎn)生的霧滴速度通常處于30m/s至70m/s之間。得到不同噴霧速度作用下細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э販囟茸兓瘓D，如圖6所示

通過圖6可以發(fā)現(xiàn)不同噴霧速度對鋰電池抑制效果的改變并不明顯，但實(shí)際使用過程中越大的噴霧速度需要更高的工作壓力、更先進(jìn)的技術(shù)水平，致使成本、設(shè)備的總體重量都會增加，綜合考慮提高噴霧速度的弊大于優(yōu)，所以抑制鋰電池?zé)崾Э氐淖顑?yōu)噴霧速度為30m/s。

3.為研究細(xì)水霧噴霧強(qiáng)度對直線型鋰電池排布熱失控抑制效果的影響，在數(shù)值模擬中采用霧滴直徑為 100μm、噴霧速度為 30m/s、噴霧強(qiáng)度分別為1 L/min、2 L/min、3 L/min和4 L/min的單相流細(xì)水霧滅火過程進(jìn)行仿真計(jì)算。得到不同霧滴直徑作用下細(xì)水霧抑制鋰電池?zé)崾Э販囟茸兓瘓D，如圖7所示

通過圖7發(fā)現(xiàn)100L實(shí)驗(yàn)艙的閾值為4L/min，在鋰電池?zé)崾Э刈罡邷匾种菩Ч矫妫?L/min、2L/min、3L/min效果相差不大，但2L/min的抑制速率明顯高于其他噴霧速度，所以對于該模擬，2L/min時(shí)最優(yōu)選擇。

4.為研究細(xì)水霧噴霧角度對直線型鋰電池排布熱失控抑制效果的影響，在數(shù)值模擬中采用霧滴直徑為100μm、噴霧速度為30m/s、噴霧強(qiáng)度2 L/min的單相流細(xì)水霧，將細(xì)水霧噴頭布置在模型頂部中心，并設(shè)置其噴射角度分別為30°、45°、60°、75°，分別對四種不同噴霧角度的場景進(jìn)行仿真，如圖8所示。

通過圖8，當(dāng)角度調(diào)整為30°、60°、75°時(shí)，抑制效果小幅波動，效果略差于45°，因?yàn)楫?dāng)霧錐角過大時(shí)，細(xì)水霧霧滴部分接觸到試驗(yàn)艙的艙壁，致使一部分細(xì)水霧霧滴并沒有作用于鋰電池表面，相比45°而言，效果較差。所以抑制鋰電池?zé)崾Э剡x擇45°霧錐角最優(yōu)。

三、結(jié)語

1.對比不同滅火劑抑制鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)現(xiàn)細(xì)水霧滅火劑為最優(yōu)選擇。

2.結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)，通過仿真不同的霧錐角、噴霧速度、噴霧強(qiáng)度及霧滴粒徑，分析不同組合的細(xì)水霧參數(shù)在抑制鋰電池?zé)崾Э氐男Чl(fā)現(xiàn)當(dāng)霧錐角為45°、噴霧速度為30m/s、噴霧強(qiáng)度為2L/min、霧滴粒徑為100um時(shí)效果最好。

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