油电混合船舶发动机舱内，池火与锂离子电池热失控相互作用过程中热释放率及辐射特性的演变

《Process Safety and Environmental Protection》：Evolution of heat release rate and radiative characteristics of interactions between pool fires and lithium-ion battery thermal runaway in engine rooms of oil/electric hybrid ships

油电混合船舶发动机房池火与锂电热失控耦合燃烧特性研究，通过实验分析不同SOC（0/50/100%）和池火尺寸（80-140mm）、燃油量（40-100ml）条件下，锂铁电池热失控引发的喷射火焰形态、质量损失、温度分布及烟雾成分变化，建立混合燃烧瞬态热释放模型，揭示喷射火焰主导热释放且辐射热流强度与池火尺寸呈非线性关系。

　　
油电混合船舶动力舱火灾安全耦合机理研究

（摘要及研究背景）
随着全球绿色航运理念的推进，油电混合动力船舶在能源利用效率与碳排放控制方面展现出显著优势。但动力舱内复杂的能源系统构成也带来了新的安全挑战：当传统油池火灾遭遇锂电池热失控（TR）时，两者的能量释放机制与热辐射特性将产生显著耦合效应，这种耦合作用可能突破常规火灾动力学模型的理论边界。本研究针对这一关键科学问题，构建了多参数耦合实验平台，通过系统研究不同荷电状态（SOC）锂电池在环形油池火灾中的热失控演化规律，揭示了混合燃烧系统的能量释放特征与辐射传热机理。

（实验设计创新）
研究团队采用环形油池与多态锂电池协同实验装置，突破传统单一介质火灾研究的局限性。实验参数设计具有双重创新：在燃料体系方面，选用正庚烷构建直径范围80-140mm的环形火池，通过调节燃油体积（40-100ml）实现热释放强度的梯度控制；在电池系统方面，选取磷酸铁锂（LiFePO?）18650电池作为研究对象，重点考察0%、50%、100%三种典型SOC状态下的热失控特性。这种参数化设计不仅覆盖了船舶动力舱火灾的典型工况，更构建了从局部火源到系统风险的完整研究链条。

（关键发现解析）
1. 燃烧耦合现象
实验发现当油池温度达到锂电池热失控临界点（约200℃）时，会产生显著的燃烧耦合效应。100% SOC的锂电池在遭遇80mm内径油池火灾时，其热失控引发的喷射火焰具有二次点火特性，火焰高度较单一油池火灾增加约35%-40%。这种耦合作用导致火焰形态呈现"中心喷射+外围环形"的复合结构，烟流轨迹呈现非对称扩散特征。

2. 热释放特性
质量损失监测数据显示，锂电池热失控过程中的质量损失率与SOC呈正相关（r=0.87，p<0.01）。在50% SOC状态下，质量损失率仅为0.8g/min，而100% SOC时骤增至3.2g/min。这种差异源于高SOC电池内部锂金属的活性态分布，当SOC>50%时，负极材料中金属锂含量超过临界阈值（约15%），导致更剧烈的氧化反应。

3. 辐射传热规律
通过红外热像仪与热流计的联合监测，揭示了辐射热流的多阶段演变规律。在火灾初始阶段（0-150s），油池燃烧产生的辐射热流占主导（平均8.7kW/m2）；当锂电池热失控触发后（150-300s），辐射热流呈现指数级增长，峰值达23.4kW/m2，且辐射强度与油池直径的平方根成正比关系（R2=0.92）。

（模型构建与验证）
研究团队基于氧消耗守恒定律，创新性地建立了混合燃烧系统的瞬态热释放模型。该模型包含三个核心模块：
- 燃烧耦合判别模型：通过烟羽中离子浓度梯度（检测限0.1ppm）实时判断火源类型
- 动态热释放算法：整合油池燃烧的傅里叶定律修正项与锂电池热失控的Arrhenius动力学模型
- 辐射场耦合计算：采用修正的NTC辐射传热方程，考虑烟雾颗粒的辐射遮蔽效应

模型验证显示，在100ml燃油、100% SOC工况下，预测值与实测HRR偏差小于12%，辐射热流计算误差控制在8%以内。特别是对喷射火焰的辐射衰减效应，通过引入烟雾光学厚度修正因子后，预测精度提升至89%。

（工程应用价值）
研究成果为油电混合船舶安全设计提供了三项关键技术支撑：
1. 火灾耦合预警阈值：建立锂电池热失控与油池火灾的临界能量交换阈值（Qc=850kJ），当环境温度梯度超过该阈值时，系统将进入危险耦合状态
2. 防护措施有效性评估：通过模拟不同灭火介质（水雾、CO?）的介入时机，量化了早期干预对耦合火灾的控制效果，发现灭火响应时间需控制在火源启动后180秒内
3. 安全设计优化准则：提出动力舱电池布局的"热隔离带"设计原则，要求相邻电池组间距≥3倍单体尺寸，并配置分级泄压系统

（行业影响与展望）
本研究的工程应用价值体现在两个方面：其一，建立了油电混合动力舱火灾风险的多维度评估体系，包含热释放率、毒性气体排放、结构破坏风险等12项核心指标；其二，研发的智能监测系统可实现火灾耦合状态的实时预警，误报率低于5%，检测响应时间<3秒。

未来研究可沿着三个方向深化：首先，拓展实验参数范围至宽SOC区间（-20%至120%）和宽温域（250-350℃），完善极端工况下的耦合规律数据库；其次，开发基于数字孪生的多物理场耦合仿真平台，实现火灾发展的实时可视化推演；最后，探索新型固态电解质材料的火灾抑制机理，为下一代混合船舶提供主动安全解决方案。

（安全设计建议）
基于研究成果，提出动力舱安全设计的"三维防护"策略：
1. 空间防护：建立"核心电池区-缓冲隔离带-外围应急区"的三级空间结构，隔离带宽度按油池最大直径的1.5倍设计
2. 热防护：配置相变材料（PCM）与气凝胶复合隔热层，其导热系数需控制在0.08W/(m·K)以下
3. 应急防护：设置分级泄压装置，在热失控引发压力超过3.5MPa时自动开启泄压阀，确保舱内压力波动率≤15%

该研究为国际首例系统揭示油电混合动力舱火灾耦合机理的工作，相关成果已应用于"绿色海洋"示范船舶的安全改造，使动力舱火灾事故率降低72%，有毒气体泄漏量减少65%。