基于船用动力锂电池的氢气爆燃特性数值分析

(1.中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015；2.北京特种工程设计研究院 北京 100028；3.32026部队，河南 开封 475000)

锂离子电池以其体积小、质量轻、高密度储能量大、续航和加速能力强等特点在船海领域得以广泛使用[1]。而船舶或潜艇的电力推进系统和储能系统等锂电池在使用过程中，有氢气的释放，基于氢气易扩散的物理特性，考虑氢气在空气条件下极宽的燃烧爆炸浓度范围(体积浓度范围内4%～75%可燃，在48.3%～59%可能发生爆轰)[2]，结合锂电池在船舶和潜艇动力舱特有的封闭空间，锂离子电池释放的氢气可能引发火灾及爆炸，给船舶和潜艇带来巨大安全威胁[3-5]。已有的研究表明，氢气自燃向持续燃烧的转变过程与漩涡夹带燃烧混合物至回流区的过程有关[6]；有研究聚焦于着火点发生面以及冲击波的发展[7]；有学者研究潜艇微氢环境中柴油燃烧动力学特性，分析蓄电池在无温度补偿的浮充工况下的析氢和析氧过程[8]；有学者进行了大直径管道内预混气体爆燃火焰传播的实验，推导了爆燃火焰传播模型并得到火焰传播距离与时间关系式的系数值[9]。本文通过使用流体仿真软件对船用锂离子电池可能释放的不同浓度的氢气的火灾爆炸进行数值模拟，探讨氢气发生火灾爆炸时超压、温度及速度等爆炸特征参数的分布以及随时间的变化规律，分析爆炸特征参数在水平方向和垂直方向的差异，分析浓度对火灾爆炸规律的影响，获取不同浓度下的最大超压，给船舶动力舱爆炸危害评估及相应防护系统设计提供参考。

1 物理模型

船舶动力锂电池的氢气泄漏后，和氢气发生预混，氢气-空气预混气体火灾爆炸的流场属于高温、高速和高压力梯度的湍流流场，遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒定律。N-S基本控制方程组可以表示为

1)质量守恒方程。

(1)

2)动量守恒方程。

(2)

3)能量守恒方程。

(3)

4)状态方程。

P=P(ρ,T)

(4)

通常直接求解(1)～(4)式偏微分方程组十分困难，一般采用有限体积法来对控制方程组进行离散，用数值解近似代替解析解，并在控制体内积分得到

∭CV▽·(ρφV)dτ=

∭CV▽·(Γφ▽φ)dτ+∭CVSφdτ

(5)

式中：φ为通用变量；Γφ为扩散系数；V为控制体积；Sφ为源项。

在氢气火灾爆炸反应流的求解中，除了以上4个控制方程外，为了使得控制方程组封闭，补充组分控制方程，其中参与化学反应的各组分都满足质量守恒，组分方程为

s=CH4,O2,CO,CO2,H2O

(6)

式中：Ys为组分s的质量分数；Ds为组分s的扩散系数；Rs为组分s的质量生成率。

氢气-空气预混气体爆炸湍流模型一般使用k-ε模型，本文模拟采用标准k-ε湍流模型。

2 仿真模型

建立小规模氢气-空气预混气体火灾爆炸模型，直径0.5 m的预混云团在边长为2.5 m的正方体空间中发生爆炸，点火位置距地面0.25 m，火灾爆炸计算相关初始参数见表1。

表1 相关计算参数

2.1 计算工况的选取

一般认为氢的最小点燃能量0.019 mJ只能点燃化学计量氢气体积分数为浓度的29.5%的氢-空气混合物，而不能点燃其他浓度的混合物，特别是在可燃下限和上限时点燃能量要大得多。有研究显示当氢气体积分数低于10%时，点火能迅速跃升，即当氢含量低于该值时，氢点火被强烈抑制；同样的，当体积分数大于70%时氢气点火同样被强烈抑制[10]。

液氢发生泄漏后，产生的氢云团体积分数一般低于52%，且较高体积分数的位置集中在泄漏源附近或液氢池表面附近，这些位置温度极低，不易着火。因此本文选取氢气体积分数分别为10%、29%、45%的工况进行计算。

2.2 假设条件

仿真计算过程中作如下假设：①预混气体看作是理想气体；②氢气燃烧反应使用一步总包反应，不考虑氢气燃烧的详细反应机理；③气体的比热恒定；④气体的物理粘性系数符合Sutherland定律。

3 计算结果和分析

3.1 体积分数为29%时爆炸特性分析

氢气体积分数为29%计算结果见图1。

图1 不同时刻压力场分布云图

如图1所示，氢气-空气预混气体点火后不同时刻压力分布图可以看出压力波的整个传播过程，包括压力波运动至地面上形成的反射波，以及反射波和压力波的叠加作用，其中靠近地面的压力波与反射波叠加作用的区域为超压的峰值区域。在t=0.2 ms时直径为0.1 m的区域内压强均大于0.1 MPa，压力大小从中心点火区域往外递减。在t=0.6 ms时，压力波运动至地面被反射，最大压强出现在地面上，由于反射波的叠加作用，地面附近的压力大于0.18 MPa，点火中心区域压强随着压力波的运动而出现空心，中心压力减小，压力波峰面在直径为0.58 m的区域。

t=1 ms显示在垂向上，反射后的压力波即将追上原来的压力波，在贴近地面直径为1 m处压力波叠加压力最大。t=6 ms显示压力波已经运动至直径大于5 m的区域，整个5 m区域内压力渐趋平均，最大压力也越来越小。

不同时刻温度云图见图2，可以看出火焰的蔓延，在同一时刻，速度云图和压力云图相比，高温区域远小于高压区域，说明火焰的传播速度远小于压力波的传播速度。

图2 不同时刻温度流场分布云图

速度云图显示随着火灾的发展最高温度变大，和压力波随时间的衰减完全相反。此外点火中心温度随着火焰的蔓延持续变化，时而高于周围温度时而低于周围温度，完全取决于火焰的发展蔓延。t=1 ms显示火焰蔓延到地面后，在贴近地面区域形成高温区域，由于仿真过程中地面设置为绝热壁面，和实际情况不一致，实际火灾蔓延至地面后会向大地方向传导热量，地面温度会小于这一数值。t=6 ms地面火焰和点火中心火焰已经完全融合。

在水平中心轴线上，随着时间的推移,最大压力波持续衰减,见图3。

图3 不同时刻中心轴线压力随位置的变化

高压区域持续向外运动，不同时刻高压区域变化较大，在点火初期高压区域在中心，当反射后的压力波运动至中心轴线高度上，中心区域压力波再次升高，其他时刻高压区在压力波运动锋面。

中心轴线不同位置测点压力随时间的变化见图4。

图4 中心轴线不同位置测点压力随时间的变化

图4显示，最大超压出现在点火中心x=0处，在0.26 ms时超压达到最大值0.205 MPa，随着x向的变大，在x=0.4 m、0.8 m、1.0 m在2.0 m处最大超压持续变小，出现的时间也越来越晚。由图4可以预测在2 m之外的区域最大超压小于20 kPa。

中心轴线不同位置测点温度随时间的变化见图5。

图5 中心轴线不同位置测点温度随时间的变化

图5显示点火后爆炸区域温度升高的过程，点火中心会出现瞬时高温，随后温度略微下降，后升高至约2 400 K，不再变化。在整个过程中，中心温度一直处于最高温度。

在5 ms，x=0.6 m处测点温度开始升高，也即爆炸火焰发展到这一区域，而在y=0.6 m处需要带10 ms左右火焰才能发展至此，并且垂向的温度短时间内达到水平向的温度，也即垂向的温度梯度更大，见图6。

图6 水平和垂向中心不同位置测点温度随时间的变化

在x=1 m和y=1 m处同样也是这种现象，差异是温度梯度小于0.6 m。这是由于在地面和重力作用的共同影响下，爆炸高温区域不完全是圆形，而是一个水平方向大于垂直方向的扁形椭圆火球，图1中1 ms的温度云图可以看出明显的椭圆形。在30 ms之后水平和垂向的温度基本一致，在30 ms时温度云图见图7，高温区域是以地面为直径的半球，最高温度2 400 K和1 ms时最高温度一致。

图7 t=30 ms时温度分布云图

3.2 不同体积分数结果比较

图8 不同浓度下点火中心压力随时间的变化

体积分数为10%、29%、45%氢气-空气预混气体点火后，点火中心位置超压衰减规律曲线见图8。图8表明基本一致，当体积分数为10%时最大超压为0.103 MPa，体积分数为29%时最大超压为0.210 MPa，体积分数为45%时最大超压为0.045 MPa，可以看出不同浓度的氢气-空气预混气体点火后最大超压刚开始随着浓度(大量研究表明在体积分数在29%左右)的增大而增大，增大到一定程度后最大超压随浓度的增大而减小。这个规律和不同浓度下所需的最低点火能规律相一致。

以上10%、29%和45%氢气体积分数下爆炸温度与超压的变化趋势显示，随着氢气体积分数的增加，爆炸产生温度及超压峰值也随之增加，但当氢气体积分数达到某一临界值时，爆炸威力反而减小。3种浓度下点火中心最大压力和最高温度汇总见表2，可供防护系统设计提供参考。

表2 不同氢气浓度下点火中心最大压力和最高温度

4 结论

1)船用动力锂电池氢气泄漏在燃烧爆炸初始阶段，在底面和重力的共同作用下，形成一个横向尺寸大于垂向的椭圆火球，随着燃烧的持续进行，形成以底面为直径的半球形高温区并向动力舱周围蔓延。

2)随着氢气浓度变大，爆炸产生的最大超压增大，当氢气体积浓度达到一定程度后，随后随着氢气的继续增大，最大超压会减小，爆炸威力反而减弱。

3)对于封闭空间的船舶动力舱，锂离子电池释放的氢气浓度到达可燃浓度下限前需要提前预警，及时增加氮气量的注入以稀释氢气，防止氢气随着动力锂电池持续释放氢气积累并引发爆炸。