輕型飛機電池艙火災模擬研究

劉健　王志

摘 要：隨著計算機技術的運用與發展，計算機技術運用于模擬和消防的各個領域。同時，輕型飛機的市場需求越來越廣泛，而對于輕型飛機的火災場景的真實研究還很缺乏，一方面發生火災的可能性不大，應急模擬訓練的機會也少，另一方面滅火演練可操作性比較差，所以對輕型飛機的火災模擬十分有必要。本次研究利用模擬技術，建立虛擬的輕型飛機電池艙火災場景。本文以某款輕型飛機為研究對象，通過建立飛機電池艙火災模擬系統，分析飛機鋰電池發生火災時電池艙和座艙煙氣溫度分布規律，評測座艙內人員的安全性。

關鍵詞：輕型飛機 鋰電池 火災模擬 溫度分布 安全性

中圖分類號：V22 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0077-02

隨著我國民航事業的發展，適應十八大以來創新驅動，綠色發展的政策與要求，還有人們日益增長的經濟收入，輕型飛機市場響應良好，電動飛機有推動航空界實現革命性發展的潛力，因此近年來成為世界航空界重點發展的機型之一。隨著計算機技術的運用與發展，模擬和消防的各個領域都在運用計算機技術。特別對于飛機火災事故來說，建立虛擬火災場景模擬火災特性，這對艙內消防和人員的逃生具有重要的意義[1]。

在火災模擬研究方面，埃蒙斯[2]將質量守恒、動量守恒、能量守恒和化學反應原理運用到建筑火災的領域上，對于火災科學的理論研究做出了重大貢獻。美國國家標準與技術研究院（NIST）[3]在20世紀80年代開發了火災動態模擬軟件FDS，并對其進行不斷的改進和完善，使其能夠適用不同種類的火災場景。國內組織和機構使用FDS軟件也在增長，清華大學史健勇[4]利用FDS軟件分析北京2008年奧運場館的消防安全，開發了一套建筑火災模擬與結構安全綜合分析系統。上海交通大學蔣波[5]針對上海地鐵一號站的體育館使用FDS軟件進行建模與仿真，虛擬場景基于創建實時交互式消防應急響應，并提供完善的平臺設計方向。

1 模型的建立

在使用PyroSim進行模擬時，首先需要對模擬對象的基本信息（如尺寸、材料、結構等）有充分認識，這些參數的準確性直接決定模擬效果的準確性。其次，因為PyroSim只支持立方體形式的計算模型，其他形狀的模型需要用小立方體逼近的方式來建立模型，所以對于非立方體的模型建立，可以簡化成長方體模型來近似模擬計算，這樣雖然有一定的誤差但是結構簡單計算時間縮短，其模擬結果仍有很大的參考價值[6]。在本次研究中將曲面飛機用立方體模型來建立簡化模型。

2 網格的建立

在使用PyroSim進行火災模擬時，首先要設定一個計算區域，然后在這個計算區域內創建模型，因此計算模型要全部處在這個計算區域內。對于形狀復雜的模擬對象，將模擬對象分成幾個不同的計算區域，然后在每個計算區域內進行網格劃分，這樣可以減少網格數目，從而提高計算速度節省成本。在劃分網格的時候，網格單元盡量接近立方體，這樣有利于提高計算結果的準確性[7]。

在本次研究中，輕型飛機為不規則模型，所以，對該飛機進行簡化建立模型尺寸為長×寬×高=（7×3×2）m?的立方體，選取的網格參數如下表1所示，所有網格的大小為0.0417×0.0417×0.0417，網格總個數為580，608。選取此規模網格模型時，一方面能夠準確的描述該輕型飛機的基本狀況，又能在節約成本的基礎上得到較為精確的模擬結果。

3 仿真結果分析與討論

本次研究設定的火源熱釋放速率為5000kW/m2，根據研究結果，可以看出：當鋰電池發生火災時，電池艙內的溫度快速上升，高溫區位于電池艙內。隨著火災的持續發生，電池艙燒穿，電池艙內的可燃材料再一次獲得充足氧氣發生劇烈燃燒，高溫煙氣快速蔓延至整個電動飛機，使得電池艙外的溫度升高。最后隨著電動飛機封閉艙室內的氧氣降低，火勢逐漸減弱，溫度下降。

4 結語

本次研究利用模擬技術，建立虛擬的輕型飛機電池艙火災場景。以某款輕型飛機為研究對象，通過建立飛機電池艙和座艙火災模擬系統，分析飛機鋰電池發生火災時電池艙和座艙煙氣溫度分布規律，研究結果表明：

因電池艙發生火災后，結合鋰電池發生火災時的火源熱釋放速率，及艙室材料的燃燒性質和特征數值，電池艙大約在45s左右燒穿，因燒穿獲得氧氣的補充會發生轟然，產生劇烈燃燒，使得飛機座艙的最高溫度可達幾百攝氏度，火災所帶來的直接傷害是致命的。

參考文獻

[1] 徐強.基于FDS軟件的飛機機艙的火災模擬研究[D].中國民航大學，2013.

[2] D Madrzykowski，RL Verrori.Simulation of the Dynamics of the Fire at 3146 Cherry Road NE，Washington，DC May 30，1999[R].Gaitherburg：National Institute of Standards and Technology，2000.

[3] NIST.PyroSim User Manual[Z].2010.

[4] 史健勇，任愛珠.火災下奧運場館防火性能的計算機模擬與分析[A].第一屆抗震減災學術會議論文集[C].2004.

[5] 蔣波，楊培中.虛擬火災應急響應虛擬演習平臺設計[J].上海交通大學學報，2008，42（2）：214-216.

[6] 陳馳，任愛珠，張新.基于虛擬現實的建筑火災模擬系統[J].自然災害學報，2007，16（1）：55-58.

[7] 廖曙光，林真國，付祥釗.大空間建筑物內擴展型火源的燃燒試驗研究[J].消防理論研究，2002（4）：27-29.