FULLRIVER锂电池动力新能源观光船的火灾动力学与疏散模拟
2026-10-10 15:39:34 点击：次
火灾疏散模拟; 观光船; 锂电池; 烟气
1. 引言
随着中国经济的快速增长和人民生活水平的不断提高，旅游业对载客观光船的需求激增。锂电池驱动的新能源船舶凭借其零排放、低噪音、高能效和低运营成本等显著优势，展现出广阔的应用前景[1,2]。然而，观光船具有乘客密度高、可燃物丰富以及通风条件差等特点。此外，锂电池作为高能量密度的化学电源，本身就存在热失控的风险 [3,4,5]。一旦发生火灾，大量有害气体和有毒烟雾会形成，阻碍视线并延长疏散时间，从而对船上人员的生命财产安全构成严重威胁 [6]。因此，开展火灾动力学模拟（FDS）和人员疏散模拟，以分析火灾发展模式和疏散时间，是降低船舶火灾风险的关键方法。随着火灾安全研究的深入，火灾动力学模拟和人员疏散模拟已逐渐成为不可或缺的工具。Hiber等人[7]利用FDS成功复现了美国联邦航空管理局进行的满尺寸飞机撞击试验。模拟结果与实验数据高度一致，验证了FDS在预测火灾事故场景中的可靠性。Zhou等人[8]开发了高铁火灾数值模型，研究了通风开口面积、点火源功率、点火源位置和纵向隧道通风速度对火灾热释放率的影响。Ji[9]研究了大学图书馆的地下室，分析了该地下空间内的烟气运动模式，并调查了不同时间段和区域的温度及能见度变化。Chen等人[10] 基于元胞自动机，开发了一种适用于多出口船舶环境大规模火灾的人员疏散模型。基于FDS数值模拟结果，建立了温度、能见度与乘客移动性之间的时空耦合关系。该模型模拟了乘客主动避开高温和低能见度区域的行为，从而更准确地反映了火灾疏散特征。Li等人 [11]提出了一种基于勾股模糊集和模糊综合评价的全面火灾疏散风险评估模型。该模型被应用于模拟中小学食堂。该研究优化了Pyrosim与Pathfinder之间的集成，提供了更准确可靠的模拟结果。Li等人[12] 以BIM技术为核心，结合PyroSim和Pathfinder软件模拟了人员密集地下商业街的火灾疏散，并评估了三种不同形式的逃生楼梯对疏散效率的影响。王等人 [13] 利用双区模型模拟了建筑物内的火灾和烟气发展。通过使用Pathfinder软件和数学模型模拟行人疏散场景，他们发现烟气流动和行人移动是优化分阶段疏散策略的关键因素。邱等人 [14] 使用Legion模型研究了列车走道宽度、门宽度和座位间距等内部空间因素如何影响疏散效率。Najmanová等人[15] 在双层电动列车车厢上进行了应急疏散实验，全面分析了不同乘客群体、出口宽度和出口类型对总疏散时间的影响。Wang等人[16] 利用FDS + EVAC疏散模拟软件开发了滚装客船疏散模型，分析了乘客人口统计特征和船舶熟悉度对疏散时间的影响。
船舶火灾对海上安全构成重大威胁。船舶复杂的内部结构和封闭空间使得着火点极具隐蔽性，难以被及时发现，且容易错过初期扑救的关键窗口期。加之船舶航行期间相对孤立，专业的消防救援服务往往难以及时赶到。一旦火势失控，极易导致灾难性后果[17]. Yan 等人 [18]发现锂离子电池在机械、电气或热滥用下会发生热失控，引发内部材料的剧烈喷发，并形成包含可燃气体、气溶胶和固体颗粒的混合排放物。Wang等人[19] 发现热失控的本质在于一个自我强化的循环：当电池内部放热反应产生的热量超过系统向环境散热的能力时，就会形成恶性循环。温度升高会加速反应速率，进而进一步加剧温度升高，最终触发呈指数级升级的失控过程。Said等人 [20]发现，在集成锂离子电池组中，如果单个电池单元发生热失控，产生的高温和能量可能会在相邻电池单元中引发连锁反应。“热失控蔓延”现象（也称为级联失效）会使整个系统的风险等级呈指数级上升。Wang等人[21] 对不同正极材料锂离子电池在热失控条件下的排气特性进行了全面评估，并通过定性和定量相结合的方法系统分析了各种电池排放物的火灾和爆炸危害。徐等人 [22] 基于电动船舶锂电池储能舱的实际尺寸建立了1:1几何模型，并使用爆炸模拟软件FLACS研究了船舶锂电池舱内电解质蒸气点燃爆炸事故的特征。
尽管关于各种公共场所火灾事故和乘客疏散的研究非常丰富，但专门针对锂电池动力游览船的研究仍然相对匮乏。此类船舶特有的因素——如起火点位置、火灾强度、出口条件、乘客容量、乘客分布和年龄结构——对整体火灾和疏散风险的相对影响尚未得到系统量化。为了填补这些研究空白，本研究采用Pyrosim 2024和Pathfinder 2019软件，为锂电池动力游览船建立了一个统一的火灾和疏散模拟框架。通过模拟不同的起火点位置、火灾强度水平和紧急出口配置，本研究考察了烟气浓度和温度分布的模式。该模型计算了不同乘客数量、构成和分布下的疏散时间，为锂电池动力船舶的设计和消防救援行动提供了理论依据。
2. 材料与方法
2.1. 模型构建
如图1所示，本文以一艘锂电池动力新能源观光船为参考。使用Pyrosim 2024和Pathfinder 2019软件建立几何模型。该船分为三层：甲板层被指定为一甲板，作为边界。此层之上有两个甲板层，甲板之下的一层被指定为下甲板。
图1。观光船模型图。
观光船各层的平面图显示在图2下层甲板的整体外轮廓被拉长，并与船首的弧形轮廓相结合。内部被划分为独立的机舱、装备舱和电池舱。甲板长29.2米，宽8.25米，高2米。第一层甲板的外轮廓与下层甲板的尺寸相对应，包含一个客舱和甲板。客舱长17.1米，宽5.85米，高4米，设有多种座位布局。侧门位于客舱两侧的船首位置，而船尾则设有主门、隐藏门以及分别连接至船尾甲板、下层甲板和第二层客舱的楼梯。第二层甲板的内部结构与第一层甲板相似，长17.1米，宽5.85米，高3米。它被划分为一个客舱和一个驾驶舱，两者均配备了座位。有两个通道连接至驾驶舱。
图2。观光船平面图。
2.2. 参数设置
在建立模型时，船体、隔舱壁和水密门的材料被设定为钢材。座椅材料为阻燃织物，船顶的光伏面板由EVA塑料制成。阻燃织物的密度为165 g/m2，最大热释放率为200 kW，闪点为300 °C。EVA塑料的密度为0.95 g/cm2，最大放热速率为160 kW，闪点为350 °C。容器火灾期间的初始环境温度设定为20 °C，标准大气压为101.3 kPa。鉴于指定容器舱室的规模较大且相对封闭，为简化模拟操作和计算过程，忽略了风速等因素。火灾模拟持续600秒，并采用大涡模拟（LES）模型作为湍流求解器。本研究关注的是整艘观光船客舱内火灾危险性的宏观演化过程，而非单个锂离子电池的微观热失控行为。当位于下层甲板的封闭锂离子电池舱发生连锁热失控时，短时间内会释放大量热量和有毒烟雾，且封闭客舱内火灾的整体热释放增长模式符合快速t型火灾的特征火灾。对于全舱室火灾风险的对比参数分析（比较火源位置、火灾强度和逃生路线条件），等效t火源是船舶锂离子电池火灾研究中广泛接受的简化模拟方法。本文选择了4000 kW和500 kW的火源功率。模拟火源被定义为1×1×1米的立方体，且火灾类型被设定为增长因子为0.1878的快速火灾。计算结果显示，该火源达到最大热释放率所需的时间分别为145.94秒和51.60秒。计算公式如下：223