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多孔泡沫陶瓷对甲烷爆炸抑制特性的数值模拟

2024-11-19 94 上传者：管理员

摘要：多孔泡沫陶瓷是一种由贯通或封闭孔洞构成网络结构的材料，多被用于抗爆炸冲击材料。为了研究其隔爆性能，本研究拟利用Fluent软件建立充有甲烷气体的管道模型，并在距电火花一定距离处设置不同孔径的Al2O3多孔泡沫陶瓷，在距电火花不同距离处设置不同片数陶瓷材料，设置压力检测点来记录材料前后的压力，来验证和计算其隔爆性能。

关键词：
Fluent
可持续发展
多孔泡沫陶瓷
锂电池
隔爆装置
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在当今21世纪，随着全球能源转型的加速，新型能源存储系统如锂电池在各个领域得到了广泛应用。锂电池因其高能量密度、长循环寿命和较低的运行成本等优势，成为推动能源转型的关键技术之一。然而，锂电池在极端条件下可能发生热失控，释放出易燃气体，引发爆炸，不仅对设备本身造成破坏，还对周围环境和人员安全构成极大威胁。因此，提高锂电池系统的安全性，降低爆炸风险，对于保障能源转型的顺利进行至关重要。

本研究聚焦于评估一种新型的爆炸抑制材料———多孔泡沫陶瓷。多孔泡沫陶瓷因其独特的孔隙结构和优异的物理化学性质，具有高孔隙率、大比表面积、低导热系数、小体积密度等优点，拥有很强的能量吸收作用，展现出在抗爆炸冲击方面的潜力[1]。这种材料能够通过散射、衍射和能量吸收等机制，有效削弱爆炸冲击波的破坏力。本研究旨在通过数值模拟方法，利用Fluent软件建立含有甲烷气体的管道模型，并在模型中设置不同孔径和数量的Al2O3多孔泡沫陶瓷，以模拟和评估其对爆炸冲击波的衰减效果。

通过在管道内布置多个压力监测点，本研究将详细分析多孔材料对爆炸超压的影响，探讨不同孔径和材料片数对爆炸抑制效果的影响。研究结果将为设计和优化锂电池安全防护系统提供科学依据，有助于提高锂电池使用的安全性，减少因热失控引发的爆炸事故，为能源转型和可持续发展提供支持。

1、材料与方法

1.1多孔介质模型

多孔介质是内部有大量封闭孔隙或密闭孔隙的材料[2]，在数值模拟的过程中通常将此区域划分定义porous边界条件，通过调整多孔区域当中的系数和材料参数来适应不同种类的多孔介质结构。在泡沫陶瓷中，冲击波的传播受到材料内部结构特性的影响，这些特性包括孔隙率、孔径等。在动量方程中，为了描述冲击波与泡沫陶瓷相互作用产生的阻力，引入了两个重要的系数：粘性阻力系数和惯性阻力系数。本文采用吕兆华[3]提出的立方框架结构近似计算模型得到各阻力系数，粘性阻力系数1/k=32/（φdp2）（φ为孔隙率，dp为孔隙平均直径，m），惯性阻力系数(F为泡沫陶瓷相关结构参数）。

1.2数值模拟

k-ε模型的数学和物理基础坚实，在多介质湍流混合领域有一定应用[4]。该模型基于涡粘模型框架构建，其中ε代表湍动能的耗散率。因本文模拟的流体流动状态为湍流，故采用标准k-ε模型，其基本方程如下：

其中，式中，Gk和Gh分别表示由于不同外力引起湍动能k的产生项，其中前者表示平均速度梯度，后者表示浮力；YM表示总耗散率受到可压缩流动中的脉动的影响。

计算模型中各常量参数取值分别为：C1ε=1.44,C2ε=1.92,C3ε=0.09，σk=1，σε=1.3。

2、结果与分析

本文模拟物理模型如图1所示，红色200mm×300mm为甲烷预混气体区域，蓝色和灰色区域分别对应空气区域以及多孔区域，并在475mm、575mm、675mm、775mm、875mm处分别设置压力监测点，相邻两个监测点之间布置50mm厚的多孔材料用来吸收爆炸冲击波。不同孔径和设置片数下的各监测点爆炸超压，如表1和表2所示，爆炸超压与距离的关系如图2所示。

图1 物理模型

表2 不同孔径下的爆炸超压

2.1爆炸超压衰减率与材料片数的关系

对于相同孔径的材料，爆炸超压随材料片数增加减小。多孔材料设置片数分别为1、2、3、4时，通过对比475mm处与875mm处爆炸超压，计算得出爆炸超压衰减效果分别为80.57%、95.18%、98.34%、98.77%。随着多孔材料片数的增加，材料内部的孔隙结构增多，为冲击波提供了更多的反射、散射和能量吸收的机会。在反复的反射和散射过程中，冲击波的能量会被逐渐消耗和分散，使得爆炸超压的衰减效果增强。

图2 爆炸超压与距离的关系

2.2爆炸超压衰减率与孔径的关系

对于相同厚度的材料，爆炸超压随材料孔径的增大而减小，且爆炸超压越大，材料对爆炸超压衰减效果越明显。孔径为20ppi和60ppi分别对应爆炸超压衰减效果为80.57%和96.14%。当冲击波入射到多孔材料时，高孔径材料对爆炸冲击波的反射作用增强，吸收大量能量的同时爆炸冲击波在材料内部的孔隙中压缩效果提升，将部分冲击能量转化为多孔材料的塑性能。此外，多孔材料内部的孔壁在冲击波的作用下发生弹性形变，提高孔径大小有效提升了冲击波与材料内壁碰撞次数，将更多的冲击能量转化为弹性能。以上过程均可有效衰减爆炸超压，降低爆炸冲击波带来的伤害。

2.3多孔材料对火焰温度具有衰减作用

根据Fluent模拟甲烷点火云图结果，火焰前锋的温度经过多孔泡沫材料后显著降低。多孔材料的空隙为火焰的传播设置了障碍，减缓了火焰传播速度，使火焰充分与孔内的气体和孔壁进行热对流和热交换作用，降低了火焰温度。同时多孔材料具有导热系数高的特点，材料内壁将火焰产生的能力从火焰燃烧区传递至非燃烧区，进一步降低了火焰温度[5]。（图3、图4)

2.4利用甲烷模拟的局限性

化学组成差异：锂电池热失控释放的气体含有多种成分，例如氢气、甲烷、一氧化碳，这些混合气体的爆炸特性可能和单一甲烷气体存在差异。

表1 不同距离下的爆炸超压

图3 火焰通过泡沫材料前热图

图4 火焰通过泡沫材料后热图

爆炸冲击波差异：甲烷爆炸产生的冲击波可能与混合气体产生的冲击波有所不同，从而造成多孔泡沫陶瓷的衰减效果存在差异。

需要实验求证：尽管模拟实验提供了一种有效的预测手段，使用甲烷作为模拟易燃气体无法模拟锂电池热失控的真实情况，因此需要实验验证。

实验现象简化：如火焰在通过多孔材料时常存在淬熄现象，这是由于空隙内部的气体流动和器壁的冷却效应共同导致的[6]，但本次模拟实验不具备涵盖各种实验现象的条件。

3、结论

(1)一片20ppi的Al2O3多孔泡沫陶瓷隔爆率达到80.57%，能够有效衰减冲击波，降低爆轰波带来的伤害。此外，隔爆率会随着设置的片数的增加而提高，在设置4片20ppi的Al2O3多孔泡沫陶瓷时，隔爆率达到98.77%。（图5)

图5 爆炸超压衰减率与孔径

图6 不同孔径下的爆炸超压对比