基于PyroSim的仓储锂离子电池火灾数值模拟研究.pdf
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1、工业安全与环保18Industrial Safety and Environmental Protection2023年第49 卷第8 期August 2023基于PyroSim的仓储锂离子电池火灾数值模拟研究谢瑞卿吴洁?郭艾雯邢志祥(常州大学环境与安全工程学院,江苏常州2 1 31 6 4)摘要采用PyroSim软件模拟仓储锂离子电池热失控引起的火灾场景,分析了火灾点火源周围的温度变化、热释放速率、能见度变化和CO体积分数变化情况,并设置喷淋系统对其进行灭火效果的数值模拟研究。结果表明:仓储锂离子电池发生火灾后,在35 s时烟气蔓延至整个仓库,火场的最高温度可达1 6 2 5,热释放速率最高
2、可达8 1 6 0 7 kW/s,C O 体积分数最大可达1.7 9 9 1 0。设置喷淋装置灭火后,锂离子电池燃烧所产生的烟气明显减少,点火源周围的温度也得到了控制,热释放速率最高为6.5 kW/s,达到灭火和防止火灾蔓延的目的,有效地抑制锂离子电池储存仓库火灾的发生。关键词仓储锂离子电池火灾模型数值模拟Numerical simulation analysis of storage lithium ion battery fire based on PyroSimXIE RuiqingWU Jie GUO Aiwen XING Zhixiang(School of Environmenta
3、l and Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou Jiangsu 213164,China)Abstract In this study,PyroSim software was used to simulate the fire scene caused by thermal runaway of storagelithium ion battery.The temperature change,heat release rate,visibility change and CO concentration change arou
4、ndthe fire ignition source were analyzed,and the sprinkler system was set to conduct numerical simulation study on itsfire extinguishing effect.The results show that the smoke spreads to the whole warehouse at 35 s after the fire of storagelithium ion battery.The highest temperature ofthe fire can r
5、each 1 625C,the highest heat release rate can reach 81 607 kW/s,and the maximum CO concentration can reach 1.799x10.After setting sprinklers to extinguish the fire,the smoke pro-duced by burning lithium-ion batteries was significantly reduced,the temperature around the ignition source was con-trolle
6、d,and the maximum heat release rate was 6.5 kW/s,which achieved the purpose of extinguishing the fire and pre-venting the spread of fire,and effectively suppressed the occurrence of lithium-ion battery storage warehouse fire.Key words warehousing lithium ion battery fire model numerical simulation0引
7、言随着锂离子电池行业的飞速发展,各类电子产品对锂离子电池的要求不断提高,锂离子电池由于自身众多优良性能在各类电子产品中得到广泛应用,并逐步向其他各领域发展。与此同时,锂离子电池由于能量高、密度大可能导致热失控,进而诱发火灾事故,这成为锂离子电池发展达到瓶颈的主要因素之一。据不完全统计,大多数锂离子电池储存仓库发生火灾爆炸事故都是由于锂离子电池发生热失控所引发的2-3。2 0 1 7 年1 1 月30 日,武汉电池厂火灾事故导致仓库过火面积达2 0 0 m,这起事故虽未造成人员伤亡,但锂离子电池火灾事故控制难度较大,一旦发生锂离子电池爆炸将严重危害公共安全,影响恶劣。*基金项目:应急管理部消防救
8、援局科技计划项目(2 0 2 0 XFCX33);工业与信息化部化学原料药环保安全技术服务平台项目(2020-0107-3-1)。目前锂离子电池的研究主要集中在电池新材料与新技术开发方面,锂离子电池火灾仿真模拟也是当前安全学者关注的研究热点之一。很多国内外学者通过PyroSim软件对锂离子电池火灾进行了模拟研究。杜江龙等4从微观建模、单电池建模以及电池组建模3个尺度对锂离子电池模型及其在热安全设计中的应用进行了综述。王英舜等5 用PyroSim软件建立新能源汽车锂离子动力电池模型,模拟测试新能源汽车锂动力电池散热特性。刘业风等6】以21700型锂离子电池为研究对象,模拟研究其在不同环境、不同放
9、电倍率以及不同热管长度的散热性能。国外方面,DAIM等7 详细研究了锂离子电池内部放电状态下的关键电气性能分布,并提出延长电池使用时间的一种结构。TANGS等8 基于COM-19SOL构建了锂离子电池的三维电化学模型,研究了左边第2 排货架的右下角设置1 个加热装置,模拟电极的电化学分布特性及其演化规律。LYUHC等9 开始时对锂离子电池组加热,使锂离子电池受热发采用数值模拟方法研究了不同脉冲电流充放电对电生热失控,周围电池组温度随着受热锂离子电池温池容量衰减的影响,为锂离子电池的快速充放电策度升高而升高,从而相继发生热失控。略提供理论支持。表1 网格参数设置本次研究主要是采用PyroSim软
10、件构建锂离子轴电池储存仓库火灾模型,运用FDS对其构建的模型X计算模拟,记录火灾模拟过程中点火源周围的温度Y变化、热释放速率、能见度变化和CO浓度变化情况Z以及设置喷淋装置后的灭火效果,对仓库中锂离子在原有建立的锂离子电池仓库物理模型基础上,电池火灾的事故防控与应急救援意义较大,对锂离在点火源货架前后两侧上方Z=3.5m位置设置2 个子电池的安全储存具有非常重要的理论和实践意义,喷淋装置,当喷淋装置感应温度达到6 0 时开始自为仓储锂离子电池火灾的提前预防和火灾事故的应动喷淋。喷淋颗粒粒径大小为1 0 0 m,喷淋压力为急处理提供重要科学参考。8MPa,默认情况下喷淋呈锥形分布,喷射内角度为1
11、模型构建30,喷射外角度为8 0 1 2 。该仓库的几何模型见图2。采用PyroSim软件构建锂离子电池储存仓库物理模型,随后用FDS软件模拟运算,Smokeview仿真软件得出结果并分析,得到的模拟结果为锂离子电池储存仓库发生火灾时的应急救援提供数据支撑,火灾模拟流程1 0 如图1 所示。PyroSim软件建立模型创建障碍物创建通风口创建火源创建探测设备设定反应与材料设定模拟参数FDS软件健立模型运算Smokeview仿真软件创建火源图1 PyroSim软件火灾模拟流程1.1建立几何模型参考实际仓库情况,本研究构建一个锂离子电池储存仓库的几何模型,模型总体三维框架为2 0m10m5m,单位网
12、格尺寸为0.40.40.4,网格总数为1 8 7 5 0。具体网格参数设置见表1。仓库内存放1 6 0 箱锂离子电池,分别存放于8 个货架,货架长5 m、宽0.8 m、高2.9 m;相邻2 个货架在X轴方向间隔2 m,Y轴方向间隔1.2 m。货架上摆放的箱装锂离子电池长0.7 m、宽0.6 m、高0.4m。起点000喷淋装置O创建网格点火源图2 锂离子电池仓库的几何模型创建表面1.2设定材料特性参数在PyroSim软件的建模过程中,材料设置的参数直接关系到软件的模拟结果,因此,材料参数的设置必须与真实情况相近。锂离子电池主要由正负极、电解液和隔膜组成,为简化模拟过程,将正极、负极、电解液和隔膜
13、分别定义1 31,具体热物理参数设置见表2。表2 锂离子电池模型热物理参数参数正极负极电解液隔膜密度p/kgm)2.70085002 600比热容C,/(JkgK)900导热率k/(WmlK-)160热吸收系数0.81.3火灾模拟初始条件的设定由于锂离子电池火灾受环境影响因素较多,因此在进行锂离子电池储存仓库火灾模拟时,根据仓库的实际情况对模拟初始条件的设定如下:1)环境初始温度:2 0。2)环境初始相对湿度:40%。3)环境大气压力:1 0 1 32 5 Pa。4)风速:0 m/s。5)火灾模拟时间:1 0 0 s。6)货架材质:绝热材料,不传热。终点201063851460.8网格数502
14、5154921 1001978210.3340.90.820.2数值模拟结果通过PyroSim建立锂离子电池储存仓库模型,对FDS火灾场景在Pyrosim软件下针对2 种场景进行仿真,场景1 仿真是在没有喷淋系统的条件下,场景2 仿真是在喷淋系统正常工作的条件下。仿真模拟运行得到2 种不同的火源热释放速率变化情况、温度变化情况和烟气浓度变化情况等,后期通过Smokeview软件处理后形成可视化窗口,可以很清晰地观察火灾发展的全动态过程。2.1温度变化情况从模拟结果可以看出,锂离子电池仓库点火源所处位置温度最高。为研究两种场景下仓库火灾烟气温度的变化情况,在仓库X=1.6m、Y=3.4m 沿Z轴
15、方向间隔0.7 m均匀布置4个热电偶,分别监测2 个场景测点温度随着时间的变化,测点温度变化曲线见图3。1800r160014001200F1000度800600400200002040 6080100时间/s(a)Z=0.5 m-15791600140012001000800盟60040020000140012001000F8006004002000014081400F1200100080060040020000图3测点温度变化曲线从图3可以看出,场景1 测点温度从室温逐步上升至1 2 0,6 s到2 6 s之间,温度在1 2 0 上下波动,随后几秒内温度呈断崖式上升至峰值,并且温度的峰值随
16、高度的增加而降低;随着锂离子电池火灾的发展和蔓延,周围锂离子电池受热辐射的影响相继发生热失控,导致温度曲线出现多个峰值,最后温度随火焰的衰弱而下降。场景2 测点温度在加热一场景1装置的作用下从室温逐步上升至1 2 0,随后在喷一一场景2淋系统正常工作下,锂离子电池火灾得到有效的抑1625制,在火焰还未形成前便将温度控制在锂离子电池着火点以下。与未设置喷淋装置时相比,设置喷淋装置后,点火源周围温度最高上升至1 5 0 达到峰值,随后在喷淋装置的正常工作下迅速降温,最后稳定在室温2 0;而未设置喷淋装置模拟火灾温度结果中,点火源周围温度最高达到1 6 2 5。由此可见,整个灭火过程喷淋装置喷出的细
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