輕型飛機電池艙火災(zāi)模擬研究

劉健　王志

摘 要：隨著計算機技術(shù)的運用與發(fā)展，計算機技術(shù)運用于模擬和消防的各個領(lǐng)域。同時，輕型飛機的市場需求越來越廣泛，而對于輕型飛機的火災(zāi)場景的真實研究還很缺乏，一方面發(fā)生火災(zāi)的可能性不大，應(yīng)急模擬訓(xùn)練的機會也少，另一方面滅火演練可操作性比較差，所以對輕型飛機的火災(zāi)模擬十分有必要。本次研究利用模擬技術(shù)，建立虛擬的輕型飛機電池艙火災(zāi)場景。本文以某款輕型飛機為研究對象，通過建立飛機電池艙火災(zāi)模擬系統(tǒng)，分析飛機鋰電池發(fā)生火災(zāi)時電池艙和座艙煙氣溫度分布規(guī)律，評測座艙內(nèi)人員的安全性。

關(guān)鍵詞：輕型飛機 鋰電池 火災(zāi)模擬 溫度分布 安全性

中圖分類號：V22 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）01（c）-0077-02

隨著我國民航事業(yè)的發(fā)展，適應(yīng)十八大以來創(chuàng)新驅(qū)動，綠色發(fā)展的政策與要求，還有人們?nèi)找嬖鲩L的經(jīng)濟收入，輕型飛機市場響應(yīng)良好，電動飛機有推動航空界實現(xiàn)革命性發(fā)展的潛力，因此近年來成為世界航空界重點發(fā)展的機型之一。隨著計算機技術(shù)的運用與發(fā)展，模擬和消防的各個領(lǐng)域都在運用計算機技術(shù)。特別對于飛機火災(zāi)事故來說，建立虛擬火災(zāi)場景模擬火災(zāi)特性，這對艙內(nèi)消防和人員的逃生具有重要的意義[1]。

在火災(zāi)模擬研究方面，埃蒙斯[2]將質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒和化學(xué)反應(yīng)原理運用到建筑火災(zāi)的領(lǐng)域上，對于火災(zāi)科學(xué)的理論研究做出了重大貢獻。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）[3]在20世紀(jì)80年代開發(fā)了火災(zāi)動態(tài)模擬軟件FDS，并對其進行不斷的改進和完善，使其能夠適用不同種類的火災(zāi)場景。國內(nèi)組織和機構(gòu)使用FDS軟件也在增長，清華大學(xué)史健勇[4]利用FDS軟件分析北京2008年奧運場館的消防安全，開發(fā)了一套建筑火災(zāi)模擬與結(jié)構(gòu)安全綜合分析系統(tǒng)。上海交通大學(xué)蔣波[5]針對上海地鐵一號站的體育館使用FDS軟件進行建模與仿真，虛擬場景基于創(chuàng)建實時交互式消防應(yīng)急響應(yīng)，并提供完善的平臺設(shè)計方向。

1 模型的建立

在使用PyroSim進行模擬時，首先需要對模擬對象的基本信息（如尺寸、材料、結(jié)構(gòu)等）有充分認(rèn)識，這些參數(shù)的準(zhǔn)確性直接決定模擬效果的準(zhǔn)確性。其次，因為PyroSim只支持立方體形式的計算模型，其他形狀的模型需要用小立方體逼近的方式來建立模型，所以對于非立方體的模型建立，可以簡化成長方體模型來近似模擬計算，這樣雖然有一定的誤差但是結(jié)構(gòu)簡單計算時間縮短，其模擬結(jié)果仍有很大的參考價值[6]。在本次研究中將曲面飛機用立方體模型來建立簡化模型。

2 網(wǎng)格的建立

在使用PyroSim進行火災(zāi)模擬時，首先要設(shè)定一個計算區(qū)域，然后在這個計算區(qū)域內(nèi)創(chuàng)建模型，因此計算模型要全部處在這個計算區(qū)域內(nèi)。對于形狀復(fù)雜的模擬對象，將模擬對象分成幾個不同的計算區(qū)域，然后在每個計算區(qū)域內(nèi)進行網(wǎng)格劃分，這樣可以減少網(wǎng)格數(shù)目，從而提高計算速度節(jié)省成本。在劃分網(wǎng)格的時候，網(wǎng)格單元盡量接近立方體，這樣有利于提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性[7]。

在本次研究中，輕型飛機為不規(guī)則模型，所以，對該飛機進行簡化建立模型尺寸為長×寬×高=（7×3×2）m?的立方體，選取的網(wǎng)格參數(shù)如下表1所示，所有網(wǎng)格的大小為0.0417×0.0417×0.0417，網(wǎng)格總個數(shù)為580，608。選取此規(guī)模網(wǎng)格模型時，一方面能夠準(zhǔn)確的描述該輕型飛機的基本狀況，又能在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上得到較為精確的模擬結(jié)果。

3 仿真結(jié)果分析與討論

本次研究設(shè)定的火源熱釋放速率為5000kW/m2，根據(jù)研究結(jié)果，可以看出：當(dāng)鋰電池發(fā)生火災(zāi)時，電池艙內(nèi)的溫度快速上升，高溫區(qū)位于電池艙內(nèi)。隨著火災(zāi)的持續(xù)發(fā)生，電池艙燒穿，電池艙內(nèi)的可燃材料再一次獲得充足氧氣發(fā)生劇烈燃燒，高溫?zé)煔饪焖俾又琳麄€電動飛機，使得電池艙外的溫度升高。最后隨著電動飛機封閉艙室內(nèi)的氧氣降低，火勢逐漸減弱，溫度下降。

4 結(jié)語

本次研究利用模擬技術(shù)，建立虛擬的輕型飛機電池艙火災(zāi)場景。以某款輕型飛機為研究對象，通過建立飛機電池艙和座艙火災(zāi)模擬系統(tǒng)，分析飛機鋰電池發(fā)生火災(zāi)時電池艙和座艙煙氣溫度分布規(guī)律，研究結(jié)果表明：

因電池艙發(fā)生火災(zāi)后，結(jié)合鋰電池發(fā)生火災(zāi)時的火源熱釋放速率，及艙室材料的燃燒性質(zhì)和特征數(shù)值，電池艙大約在45s左右燒穿，因燒穿獲得氧氣的補充會發(fā)生轟然，產(chǎn)生劇烈燃燒，使得飛機座艙的最高溫度可達幾百攝氏度，火災(zāi)所帶來的直接傷害是致命的。

參考文獻

[1] 徐強.基于FDS軟件的飛機機艙的火災(zāi)模擬研究[D].中國民航大學(xué)，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.火災(zāi)下奧運場館防火性能的計算機模擬與分析[A].第一屆抗震減災(zāi)學(xué)術(shù)會議論文集[C].2004.

[5] 蔣波，楊培中.虛擬火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)虛擬演習(xí)平臺設(shè)計[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2008，42（2）：214-216.

[6] 陳馳，任愛珠，張新.基于虛擬現(xiàn)實的建筑火災(zāi)模擬系統(tǒng)[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16（1）：55-58.

[7] 廖曙光，林真國，付祥釗.大空間建筑物內(nèi)擴展型火源的燃燒試驗研究[J].消防理論研究，2002（4）：27-29.