轻型飞机电池舱火灾模拟研究

刘健　王志

摘 要：随着计算机技术的运用与发展，计算机技术运用于模拟和消防的各个领域。同时，轻型飞机的市场需求越来越广泛，而对于轻型飞机的火灾场景的真实研究还很缺乏，一方面发生火灾的可能性不大，应急模拟训练的机会也少，另一方面灭火演练可操作性比较差，所以对轻型飞机的火灾模拟十分有必要。本次研究利用模拟技术，建立虚拟的轻型飞机电池舱火灾场景。本文以某款轻型飞机为研究对象，通过建立飞机电池舱火灾模拟系统，分析飞机锂电池发生火灾时电池舱和座舱烟气温度分布规律，评测座舱内人员的安全性。

关键词：轻型飞机 锂电池 火灾模拟 温度分布 安全性

中图分类号：V22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）01（c）-0077-02

随着我国民航事业的发展，适应十八大以来创新驱动，绿色发展的政策与要求，还有人们日益增长的经济收入，轻型飞机市场响应良好，电动飞机有推动航空界实现革命性发展的潜力，因此近年来成为世界航空界重点发展的机型之一。随着计算机技术的运用与发展，模拟和消防的各个领域都在运用计算机技术。特别对于飞机火灾事故来说，建立虚拟火灾场景模拟火灾特性，这对舱内消防和人员的逃生具有重要的意义[1]。

在火灾模拟研究方面，埃蒙斯[2]将质量守恒、动量守恒、能量守恒和化学反应原理运用到建筑火灾的领域上，对于火灾科学的理论研究做出了重大贡献。美国国家标准与技术研究院（NIST）[3]在20世纪80年代开发了火灾动态模拟软件FDS，并对其进行不断的改进和完善，使其能够适用不同种类的火灾场景。国内组织和机构使用FDS软件也在增长，清华大学史健勇[4]利用FDS软件分析北京2008年奥运场馆的消防安全，开发了一套建筑火灾模拟与结构安全综合分析系统。上海交通大学蒋波[5]针对上海地铁一号站的体育馆使用FDS软件进行建模与仿真，虚拟场景基于创建实时交互式消防应急响应，并提供完善的平台设计方向。

1 模型的建立

在使用PyroSim进行模拟时，首先需要对模拟对象的基本信息（如尺寸、材料、结构等）有充分认识，这些参数的准确性直接决定模拟效果的准确性。其次，因为PyroSim只支持立方体形式的计算模型，其他形状的模型需要用小立方体逼近的方式来建立模型，所以对于非立方体的模型建立，可以简化成长方体模型来近似模拟计算，这样虽然有一定的误差但是结构简单计算时间缩短，其模拟结果仍有很大的参考价值[6]。在本次研究中将曲面飞机用立方体模型来建立简化模型。

2 网格的建立

在使用PyroSim进行火灾模拟时，首先要设定一个计算区域，然后在这个计算区域内创建模型，因此计算模型要全部处在这个计算区域内。对于形状复杂的模拟对象，将模拟对象分成几个不同的计算区域，然后在每个计算区域内进行网格划分，这样可以减少网格数目，从而提高计算速度节省成本。在划分网格的时候，网格单元尽量接近立方体，这样有利于提高计算结果的准确性[7]。

在本次研究中，轻型飞机为不规则模型，所以，对该飞机进行简化建立模型尺寸为长×宽×高=（7×3×2）m?的立方体，选取的网格参数如下表1所示，所有网格的大小为0.0417×0.0417×0.0417，网格总个数为580，608。选取此规模网格模型时，一方面能够准确的描述该轻型飞机的基本状况，又能在节约成本的基础上得到较为精确的模拟结果。

3 仿真结果分析与讨论

本次研究设定的火源热释放速率为5000kW/m2，根据研究结果，可以看出：当锂电池发生火灾时，电池舱内的温度快速上升，高温区位于电池舱内。随着火灾的持续发生，电池舱烧穿，电池舱内的可燃材料再一次获得充足氧气发生剧烈燃烧，高温烟气快速蔓延至整个电动飞机，使得电池舱外的温度升高。最后随着电动飞机封闭舱室内的氧气降低，火势逐渐减弱，温度下降。

4 结语

本次研究利用模拟技术，建立虚拟的轻型飞机电池舱火灾场景。以某款轻型飞机为研究对象，通过建立飞机电池舱和座舱火灾模拟系统，分析飞机锂电池发生火灾时电池舱和座舱烟气温度分布规律，研究结果表明：

因电池舱发生火灾后，结合锂电池发生火灾时的火源热释放速率，及舱室材料的燃烧性质和特征数值，电池舱大约在45s左右烧穿，因烧穿获得氧气的补充会发生轰然，产生剧烈燃烧，使得飞机座舱的最高温度可达几百摄氏度，火灾所带来的直接伤害是致命的。

参考文献

[1] 徐强.基于FDS软件的飞机机舱的火灾模拟研究[D].中国民航大学，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.火灾下奥运场馆防火性能的计算机模拟与分析[A].第一届抗震减灾学术会议论文集[C].2004.

[5] 蒋波，杨培中.虚拟火灾应急响应虚拟演习平台设计[J].上海交通大学学报，2008，42（2）：214-216.

[6] 陈驰，任爱珠，张新.基于虚拟现实的建筑火灾模拟系统[J].自然灾害学报，2007，16（1）：55-58.

[7] 廖曙光，林真国，付祥钊.大空间建筑物内扩展型火源的燃烧试验研究[J].消防理论研究，2002（4）：27-29.