细水雾灭火剂抑制锂电池热失控数值模拟研究

白伟

[摘 要]锂电池热失控问题日益突出，灭火剂的正确选择关系到抑制锂电池热失控成功与否，而灭火装置的参数设定更是重中之重。通过火灾数值模拟的方法可有效解决上述问题，因此本论文利用火灾数值模拟软件对细水雾抑制锂电池热失控效果进行分析，对最佳的细水雾参数进行探讨，通过仿真得到的锂电池温度曲线图对比得出细水雾抑制锂电池热失控最优参数设置为流量2L/min、雾锥角45°、雾滴粒径100um、喷雾速度30m/s，为工程实际做指导。

[关键词]锂电池热失控；FDS数值模拟；最优参数选择

随着科技的进步，锂电池在诸多领域都得到了广泛运用，使用数量增加，使用频率提高，锂电池易燃易爆，不稳定，容易短路等缺点逐渐暴露。2009年11月7日位于加拿大特雷尔市发生了一起迄今为止影响最大的因为回收储存锂电池而引发的火灾，造成直接经济损失950万美元。据国际民航运输协会统计，自2008 年至2012年，四年期间空运锂电池的数量达到了12亿，近年来不管是国内还是国外，都发生过多次因锂电池引发的与航空运输有关的事故征候，以及许多与运输锂电池和锂电池为电源的设备有关的事故征候。

目前使用的灭火剂种类主要包括：气体灭火剂、泡沫灭火剂、水灭火剂和粉体灭火剂，分析传统灭火剂灭火机理并结合锂电池热失控特点，发现以二氧化碳、惰性气体为代表的气体灭火剂其灭火原理为隔绝氧气，但因为锂电池在无氧条件下仍能够发生反应，所以气体灭火剂不能长期抑制锂离子电池热失控。泡沫灭火剂主要灭火机理为冷却作用和窒息，大部分锂电池表面积小，仅能附着很少量的泡沫，加上上述通过隔绝氧气的方式抑制锂离子电池热失控能力不足。所以泡沫灭火剂抑制锂电池热失控存在不足，以热气溶胶和细水雾为代表的气溶胶灭火剂主要灭火机理为冷却吸热，使用过程中热气溶胶进入火场后由于自身原因产生大量高温，对于能够复燃的锂离子电池热失控过程存在缺陷。干粉灭火剂抑制作用主要为冷却降温、隔离作用，其中超细干粉灭火剂遇热之后每一步都是吸热反应，吸收大量热，发生分解。但实际实验过程中发现干粉灭火剂对锂电池热失控无明显作用。所以本文选择细水雾灭火剂抑制锂电池火灾。

一、细水雾抑制锂电池热失控数值模拟场景设定

1.锂电池拜摆放设定

为研究细水雾抑制锂电池热失控效果，将锂电池通过金属板固定，直线型排布。其形式为8节锂电池放置在孔径为19mm的金属板中，如图1所示。

2.燃烧热释放速率设定

FAA 曾对 18650 型锂离子电池进行了热释放速率的测定，获得了其燃烧时的热释放速率曲线，因此本文借助其实验数据，将该数据作为单一燃燒单元的热释放速率进行设定，该曲线如图2所示[6-8]。

3.网格设定

网格的数量在很大程度上直接影响到仿真结果的准确性，因此本模型中将网格大小设置为 0.01 m×0.01 m×0.01 m，共计22500个网格。直线型排布锂电池热失控抑制系统仿真模型如图3所示

4.其他参数设定

初始环境温度设定为20℃，仿真时间为20 s。在横向0.105、0.115直到0.215每隔0.1设置一块温度切片，用来监测火灾及灭火过程中的温度变化。仿真阶段，单次仿真耗时1 h左右，产生80 M左右的数据量。设置Surface时与之前定义的Li材料相关联，参数如图4所示。

二、细水雾参数抑制锂电池热失控效果的影响分析

1.为研究细水雾雾滴直径对灭火效果的影响，首先对不施加细水雾情况下的锂电池燃烧进行数值模拟，随后对喷射速度为 30m/s、喷雾强度为 2 L/min、雾滴直径分别为 30μm、50μm、100μm、200μm、250μm的单相流细水雾灭火过程进行仿真计算。如图5所示

通过图5发现随着雾滴粒径的不断减小，细水雾灭火剂抑制锂电池热失控效果明显增加，不施加细水雾的情况下，锂电池温度居高不下直到所有电池全部爆炸。但当雾滴粒径达到100um以下时，会发现抑制效果改变的并不明显，雾滴粒径的减小会提高细水雾抑制锂电池热失控的能力，但当减小到一定程度之后，效果就会减弱，雾滴粒径增大时，锂电池单位表面积上附着的颗粒变少，吸收温度的能力变小，效果反而变差。针对本仿真，100um的综合优点要优于其他粒径，所以选择100um。

2.为研究细水雾喷雾速度对直线型锂电池排布热失控抑制效果的影响。由理论计算及对细水雾喷雾速度的实际测量可知，常见细水雾喷头在喷嘴附近产生的雾滴速度通常处于30m/s至70m/s之间。得到不同喷雾速度作用下细水雾抑制锂电池热失控温度变化图，如图6所示

通过图6可以发现不同喷雾速度对锂电池抑制效果的改变并不明显，但实际使用过程中越大的喷雾速度需要更高的工作压力、更先进的技术水平，致使成本、设备的总体重量都会增加，综合考虑提高喷雾速度的弊大于优，所以抑制锂电池热失控的最优喷雾速度为30m/s。

3.为研究细水雾喷雾强度对直线型锂电池排布热失控抑制效果的影响，在数值模拟中采用雾滴直径为 100μm、喷雾速度为 30m/s、喷雾强度分别为1 L/min、2 L/min、3 L/min和4 L/min的单相流细水雾灭火过程进行仿真计算。得到不同雾滴直径作用下细水雾抑制锂电池热失控温度变化图，如图7所示

通过图7发现100L实验舱的阈值为4L/min，在锂电池热失控最高温抑制效果方面，1L/min、2L/min、3L/min效果相差不大，但2L/min的抑制速率明显高于其他喷雾速度，所以对于该模拟，2L/min时最优选择。

4.为研究细水雾喷雾角度对直线型锂电池排布热失控抑制效果的影响，在数值模拟中采用雾滴直径为100μm、喷雾速度为30m/s、喷雾强度2 L/min的单相流细水雾，将细水雾喷头布置在模型顶部中心，并设置其喷射角度分别为30°、45°、60°、75°，分别对四种不同喷雾角度的场景进行仿真，如图8所示。

通过图8，当角度调整为30°、60°、75°时，抑制效果小幅波动，效果略差于45°，因为当雾锥角过大时，细水雾雾滴部分接触到试验舱的舱壁，致使一部分细水雾雾滴并没有作用于锂电池表面，相比45°而言，效果较差。所以抑制锂电池热失控选择45°雾锥角最优。

三、结语

1.对比不同灭火剂抑制锂电池热失控发现细水雾灭火剂为最优选择。

2.结合实际实验，通过仿真不同的雾锥角、喷雾速度、喷雾强度及雾滴粒径，分析不同组合的细水雾参数在抑制锂电池热失控的效果发现当雾锥角为45°、喷雾速度为30m/s、喷雾强度为2L/min、雾滴粒径为100um时效果最好。

参考文献：

[1] 杨君涛，魏东，李思成，等.基于油罐火灾数值模拟的模型选取与分析[J].中国安全科学报，2004，14（1）：28-33.

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[4] Friedman R.An International Survey of Computer Models for Fire and Smoke[J].Journal of Frie Portection Engineernig，1992，4（3）：81-92.

[5] 范垣霄.细水雾灭火过程数值模拟及气动高能灭火机的研制[D]：[硕士学位论文]. 杭州：浙江大学，2006.