基于船用動力鋰電池的氫氣爆燃特性數值分析

(1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015；2.北京特種工程設計研究院 北京 100028；3.32026部隊，河南 開封 475000)

鋰離子電池以其體積小、質量輕、高密度儲能量大、續航和加速能力強等特點在船海領域得以廣泛使用[1]。而船舶或潛艇的電力推進系統和儲能系統等鋰電池在使用過程中，有氫氣的釋放，基于氫氣易擴散的物理特性，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4%～75%可燃，在48.3%～59%可能發生爆轟)[2]，結合鋰電池在船舶和潛艇動力艙特有的封閉空間，鋰離子電池釋放的氫氣可能引發火災及爆炸，給船舶和潛艇帶來巨大安全威脅[3-5]。已有的研究表明，氫氣自燃向持續燃燒的轉變過程與漩渦夾帶燃燒混合物至回流區的過程有關[6]；有研究聚焦于著火點發生面以及沖擊波的發展[7]；有學者研究潛艇微氫環境中柴油燃燒動力學特性，分析蓄電池在無溫度補償的浮充工況下的析氫和析氧過程[8]；有學者進行了大直徑管道內預混氣體爆燃火焰傳播的實驗，推導了爆燃火焰傳播模型并得到火焰傳播距離與時間關系式的系數值[9]。本文通過使用流體仿真軟件對船用鋰離子電池可能釋放的不同濃度的氫氣的火災爆炸進行數值模擬，探討氫氣發生火災爆炸時超壓、溫度及速度等爆炸特征參數的分布以及隨時間的變化規律，分析爆炸特征參數在水平方向和垂直方向的差異，分析濃度對火災爆炸規律的影響，獲取不同濃度下的最大超壓，給船舶動力艙爆炸危害評估及相應防護系統設計提供參考。

1 物理模型

船舶動力鋰電池的氫氣泄漏后，和氫氣發生預混，氫氣-空氣預混氣體火災爆炸的流場屬于高溫、高速和高壓力梯度的湍流流場，遵循質量守恒、動量守恒、能量守恒定律。N-S基本控制方程組可以表示為

1)質量守恒方程。

(1)

2)動量守恒方程。

(2)

3)能量守恒方程。

(3)

4)狀態方程。

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對控制方程組進行離散，用數值解近似代替解析解，并在控制體內積分得到

?CV▽·(ρφV)dτ=

?CV▽·(Γφ▽φ)dτ+?CVSφdτ

(5)

式中：φ為通用變量；Γφ為擴散系數；V為控制體積；Sφ為源項。

在氫氣火災爆炸反應流的求解中，除了以上4個控制方程外，為了使得控制方程組封閉，補充組分控制方程，其中參與化學反應的各組分都滿足質量守恒，組分方程為

s=CH4,O2,CO,CO2,H2O

(6)

式中：Ys為組分s的質量分數；Ds為組分s的擴散系數；Rs為組分s的質量生成率。

氫氣-空氣預混氣體爆炸湍流模型一般使用k-ε模型，本文模擬采用標準k-ε湍流模型。

2 仿真模型

建立小規模氫氣-空氣預混氣體火災爆炸模型，直徑0.5 m的預混云團在邊長為2.5 m的正方體空間中發生爆炸，點火位置距地面0.25 m，火災爆炸計算相關初始參數見表1。

表1 相關計算參數

2.1 計算工況的選取

一般認為氫的最小點燃能量0.019 mJ只能點燃化學計量氫氣體積分數為濃度的29.5%的氫-空氣混合物，而不能點燃其他濃度的混合物，特別是在可燃下限和上限時點燃能量要大得多。有研究顯示當氫氣體積分數低于10%時，點火能迅速躍升，即當氫含量低于該值時，氫點火被強烈抑制；同樣的，當體積分數大于70%時氫氣點火同樣被強烈抑制[10]。

液氫發生泄漏后，產生的氫云團體積分數一般低于52%，且較高體積分數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數分別為10%、29%、45%的工況進行計算。

2.2 假設條件

仿真計算過程中作如下假設：①預混氣體看作是理想氣體；②氫氣燃燒反應使用一步總包反應，不考慮氫氣燃燒的詳細反應機理；③氣體的比熱恒定；④氣體的物理粘性系數符合Sutherland定律。

3 計算結果和分析

3.1 體積分數為29%時爆炸特性分析

氫氣體積分數為29%計算結果見圖1。

圖1 不同時刻壓力場分布云圖

如圖1所示，氫氣-空氣預混氣體點火后不同時刻壓力分布圖可以看出壓力波的整個傳播過程，包括壓力波運動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域為超壓的峰值區域。在t=0.2 ms時直徑為0.1 m的區域內壓強均大于0.1 MPa，壓力大小從中心點火區域往外遞減。在t=0.6 ms時，壓力波運動至地面被反射，最大壓強出現在地面上，由于反射波的疊加作用，地面附近的壓力大于0.18 MPa，點火中心區域壓強隨著壓力波的運動而出現空心，中心壓力減小，壓力波峰面在直徑為0.58 m的區域。

t=1 ms顯示在垂向上，反射后的壓力波即將追上原來的壓力波，在貼近地面直徑為1 m處壓力波疊加壓力最大。t=6 ms顯示壓力波已經運動至直徑大于5 m的區域，整個5 m區域內壓力漸趨平均，最大壓力也越來越小。

不同時刻溫度云圖見圖2，可以看出火焰的蔓延，在同一時刻，速度云圖和壓力云圖相比，高溫區域遠小于高壓區域，說明火焰的傳播速度遠小于壓力波的傳播速度。

圖2 不同時刻溫度流場分布云圖

速度云圖顯示隨著火災的發展最高溫度變大，和壓力波隨時間的衰減完全相反。此外點火中心溫度隨著火焰的蔓延持續變化，時而高于周圍溫度時而低于周圍溫度，完全取決于火焰的發展蔓延。t=1 ms顯示火焰蔓延到地面后，在貼近地面區域形成高溫區域，由于仿真過程中地面設置為絕熱壁面，和實際情況不一致，實際火災蔓延至地面后會向大地方向傳導熱量，地面溫度會小于這一數值。t=6 ms地面火焰和點火中心火焰已經完全融合。

在水平中心軸線上，隨著時間的推移,最大壓力波持續衰減,見圖3。

圖3 不同時刻中心軸線壓力隨位置的變化

高壓區域持續向外運動，不同時刻高壓區域變化較大，在點火初期高壓區域在中心，當反射后的壓力波運動至中心軸線高度上，中心區域壓力波再次升高，其他時刻高壓區在壓力波運動鋒面。

中心軸線不同位置測點壓力隨時間的變化見圖4。

圖4 中心軸線不同位置測點壓力隨時間的變化

圖4顯示，最大超壓出現在點火中心x=0處，在0.26 ms時超壓達到最大值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處最大超壓持續變小，出現的時間也越來越晚。由圖4可以預測在2 m之外的區域最大超壓小于20 kPa。

中心軸線不同位置測點溫度隨時間的變化見圖5。

圖5 中心軸線不同位置測點溫度隨時間的變化

圖5顯示點火后爆炸區域溫度升高的過程，點火中心會出現瞬時高溫，隨后溫度略微下降，后升高至約2 400 K，不再變化。在整個過程中，中心溫度一直處于最高溫度。

在5 ms，x=0.6 m處測點溫度開始升高，也即爆炸火焰發展到這一區域，而在y=0.6 m處需要帶10 ms左右火焰才能發展至此，并且垂向的溫度短時間內達到水平向的溫度，也即垂向的溫度梯度更大，見圖6。

圖6 水平和垂向中心不同位置測點溫度隨時間的變化

在x=1 m和y=1 m處同樣也是這種現象，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，爆炸高溫區域不完全是圓形，而是一個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時溫度云圖見圖7，高溫區域是以地面為直徑的半球，最高溫度2 400 K和1 ms時最高溫度一致。

圖7 t=30 ms時溫度分布云圖

3.2 不同體積分數結果比較

圖8 不同濃度下點火中心壓力隨時間的變化

體積分數為10%、29%、45%氫氣-空氣預混氣體點火后，點火中心位置超壓衰減規律曲線見圖8。圖8表明基本一致，當體積分數為10%時最大超壓為0.103 MPa，體積分數為29%時最大超壓為0.210 MPa，體積分數為45%時最大超壓為0.045 MPa，可以看出不同濃度的氫氣-空氣預混氣體點火后最大超壓剛開始隨著濃度(大量研究表明在體積分數在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。這個規律和不同濃度下所需的最低點火能規律相一致。

以上10%、29%和45%氫氣體積分數下爆炸溫度與超壓的變化趨勢顯示，隨著氫氣體積分數的增加，爆炸產生溫度及超壓峰值也隨之增加，但當氫氣體積分數達到某一臨界值時，爆炸威力反而減小。3種濃度下點火中心最大壓力和最高溫度匯總見表2，可供防護系統設計提供參考。

表2 不同氫氣濃度下點火中心最大壓力和最高溫度

4 結論

1)船用動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，形成一個橫向尺寸大于垂向的橢圓火球，隨著燃燒的持續進行，形成以底面為直徑的半球形高溫區并向動力艙周圍蔓延。

2)隨著氫氣濃度變大，爆炸產生的最大超壓增大，當氫氣體積濃度達到一定程度后，隨后隨著氫氣的繼續增大，最大超壓會減小，爆炸威力反而減弱。

3)對于封閉空間的船舶動力艙，鋰離子電池釋放的氫氣濃度到達可燃濃度下限前需要提前預警，及時增加氮氣量的注入以稀釋氫氣，防止氫氣隨著動力鋰電池持續釋放氫氣積累并引發爆炸。