2025, Vol. 47
2. 上海船舶研究设计院，上海 201203;
3. 中国船级社 上海规范研究所，上海 200135;
4. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240;
5. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240
2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China;
3. Shanghai Institute of Standards, China Classification Society, Shanghai 200135, China;
4. School of Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;
5. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
新能源汽车产业的迅猛发展带动了船舶运输需求的上升，而当前市场上新能源汽车的主要供能方式为锂动力电池。为了迎合海外市场快速扩张带来的运输需求，许多企业选择利用纸浆船等船舶的货舱来运输锂电池新能源车辆。这种方式之所以受到青睐，是因为利用货舱运输锂电池新能源车辆不仅能够提供稳定安全的运输环境，还能一次性运输大批锂电池新能源车辆，提升运输效率的同时减少成本。同时，这种运输方式能够有效利用现有运力，无需借助专用汽车运输船。由于船舶在航行中远离陆地，一旦货舱发生火灾，只能依靠船上的固定消防设施来控制火势。然而，目前还没有找到一种能够高效扑灭锂电池火灾的灭火剂。另外，货舱空间有限，火灾发生后可能会造成通风不良，从而使得火势难以控制。因此，对船舶货舱中锂电池新能源汽车火灾的蔓延进行深入研究，具有十分重要的意义。
研究发现，新能源车辆动力电池起火是引发运输船火灾的主要因素[1]。近年来，锂电池火灾的仿真模拟研究已成为安全领域的热点课题。Lyu等[2]系统分析了锂电池在宽温度范围内的热失控触发机制，而Duh等[3]则重点研究了新能源汽车中商用
本次研究旨在利用数值仿真模拟方法，对货舱内锂电池新能源车火灾蔓延过程进行分析。通过建立火灾蔓延数值模型，探讨火灾在货舱内的传播规律，以期为应急救援提供科学依据。同时，通过仿真模拟船舶火灾蔓延过程，深入了解火灾影响因素，为加强火灾防控提供技术支持，推动锂电池新能源车的安全发展。
1 模型构建本研究主要采用PyroSim软件对船舶货舱火灾进行数值模拟，模拟区域是一个30 m×33 m×20 m的货舱。
1.1 简化模型的建立PyroSim软件主要采用长方体模型对物体进行建模，因此本研究对舱内物理模型进行了如下的简化：
1）在实际船舶货舱运输过程中，当锂电池新能源车发生热失控时，燃烧会迅速蔓延并且难以控制[8]。锂电池包主要由金属锂和电解质组成，当其发生热失控后，火焰会迅速引燃汽车轮胎[9]，从而使整车发生剧烈燃烧，故锂电池电池包和轮胎是燃烧迅速蔓延的主要影响因素。基于提高仿真模拟计算效率并确保计算精度方面的考虑，舱内各种复杂的小部件对火灾中火焰的行为影响较小，因此在建模过程中对其进行简化，只着重考虑锂电池包和轮胎这2种火源。
2）锂电池新能源车、电池包和轮胎都被替换为具有相同面积的长方体。将40 ft（1 ft=
3）由于锂电池新能源车电池包内部的化学成分多样且复杂，在火灾发展过程中容易发生爆炸，从而极大增加火灾的破坏力。然而，爆炸本身是一个复杂的物理过程，本研究为简化计算，未考虑爆炸的发生。
简化后的货舱物理模型如图1所示，为了方便观察火源和烟气蔓延情况，对外侧舱壁进行了隐藏处理。尽管模型对货舱内的复杂结构进行了简化，但通过保留锂电池包和轮胎这2个主要火源，模型能够准确反映火灾蔓延的关键特征。锂电池包和轮胎的热释放速率、燃烧特性以及火灾蔓延路径是火灾模拟的核心要素，简化后的模型在保证计算效率的同时，能够有效捕捉火灾蔓延的主要趋势。此外，模型的边界条件设定为开放边界，进一步确保了模拟结果的可靠性，能够真实反映火灾在货舱内的动态发展过程。
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图 1 简化的货舱 Fig. 1 Simplified cargo hold |
火灾场景具有描绘火灾全过程不断变化的能力，应根据最不利原则在设计火灾场景时考虑可能导致最严重和危害性最大后果的情况。火灾场景设计的合理性直接影响舱室防火功能的可靠性和主要设备的损伤程度。在货舱角隅位置处，由于角落比较隐蔽且通风不良，一旦发生热失控导致锂电池起火，燃烧很容易蔓延并且很难及时被发现；在货舱中央位置处，周围锂电池数量较多，发生热失控引发火灾的可能性较大，一旦火灾发生，燃烧的锂电池会相互影响、加剧燃烧蔓延，加重火灾的危险性。因此，选择这两种火灾场景可以突出锂电池新能源车货舱内部存在的潜在火灾风险，以便对应急预案和救援方案进行充分准备和演练。
在火灾研究之前，最基础的是进行相关设计火灾场景，设定假设条件和参数。只有通过合理设置火灾场景，才能更准确地呈现火灾的演变趋势。在不影响结果的情况下，本研究对一些条件进行了设定：
1）舱内火灾不受外界的影响；
2）材料主要为钢材与绝缘材料；
3）初始温度设为20 ℃；
4）舱内的风速设定为0 m/s；
5）实验在一个标准大气压进行；
6）地板为绝缘材质，不导热；
7）有各类探测器，无喷淋和机械排烟。
本研究通过设定初始温度为20 ℃、舱内风速为0 m/s、标准大气压等条件，模拟了火灾在封闭货舱内的自然发展过程。这些条件的设定基于实际船舶货舱的典型环境，确保了模拟结果的可靠性。此外，模型中未考虑外界干扰因素，进一步简化了计算过程，同时保证了模拟结果的准确性。
1.3 火源设置火源设置是火灾模拟的核心条件之一，直接影响火灾蔓延的速度和范围。热释放速率[10]可以反映火灾发展的状态，是其基本参数。本研究中，火源设置基于锂电池新能源车的电池包和轮胎的燃烧特性，确保了模拟结果的准确性。以某品牌锂电池新能源车为例，电池包的表面积尺寸为2.5 m2，轮胎的表面积尺寸为0.25 m2。基于纯电动汽车火灾规模的计算公式[11]，估算的纯电动小型客车电池包峰值热释放速率为5.27～6.40 MW，结合锂电池热失控机理研究，电池包的热释放速率设定为6 MW，符合锂电池火灾的实际情况。同时，电池包的热失控温度设定为140 ℃，该温度设定基于锂离子电池热失控机理研究[12]，反映了锂电池火灾的初始触发条件。轮胎的热释放速率设定为400 kW，该设定基于废旧轮胎全尺寸火灾实验研究[13]，符合轮胎燃烧的实际情况；轮胎的燃点设定为492 ℃，该设定基于汽车轮胎自燃致因和燃烧特性的研究[14]，确保了轮胎在火灾中的燃烧行为能够准确模拟。考虑到锂电池新能源车的电池包和轮胎拥有多样且复杂的组合材料，为确保货舱及整船的安全，本研究选择在最不利的条件下取得各项参数的最大值。这些设定确保了火源设置的合理性，为火灾模拟的准确性提供了理论依据，同时也为仿真条件的可靠性奠定了坚实基础。
2 数值模拟分析在船舶运输领域，货舱作为一个特殊的受限空间，火灾一旦发生，其演变过程难以直接观察。为深入探究货舱火灾的动态发展机制，本研究借助PyroSim软件平台，对货舱火灾全过程进行了模拟分析。PyroSim软件的火灾模拟算法依托成熟的火灾动力学理论构建，在模拟热传递、燃烧反应以及烟气流动等关键过程时，严格遵循物理规律，具有坚实的理论基础。大量针对船舶、建筑火灾等不同场景的模拟实践已充分验证了该软件的可靠性。在与实际火灾实验数据的对比中发现，PyroSim模拟结果在温度分布、烟气蔓延速度等关键指标上，与实际情况的误差处于较小范围。这一特性使得它能够精准地模拟火灾发展进程，为本次研究提供了高度可靠的模拟基础。经模拟计算，在本文设定的火灾场景下，
图2和图3分别为货舱角隅处一辆锂电池新能源车发生热失控后1 h内货舱中的烟气与燃烧蔓延情况和10 m高度处的氧气体积分数变化情况，设置其发生热失控的时间为0 s。在100 s时货舱角隅位置的一辆锂电池新能源车电池包刚刚起火，烟气蔓延并不显著，氧气体积分数在10 m高度处基本无变化；300 s时，随着温度升高，该折叠框架内的3辆新能源车发生明显的热失控，导致新能源车的电池包和轮胎燃烧剧烈，同时货舱内的烟气也随着燃烧慢慢向上扩散，氧气体积分数在角隅位置有略微下降；到550 s时，该折叠框架正上方位置处的所有新能源车都发生了热失控，燃烧迅速向上蔓延，烟气已经蔓延至货舱各个角落，氧气体积分数在角隅位置处下降到了0.1左右，此高度整体浓度在0.18左右；650 s时，燃烧继续扩大并蔓延，整个货舱内的新能源车基本上都在剧烈燃烧，烟气弥漫整个空间，氧气体积分数在0.08左右；900 s时，烟气浓度过高的同时氧气体积分数下降到0.04左右，货舱内氧气浓度不足使得燃烧不充分，货舱再无明火出现且会产生大量烟雾，即为窒息火现象的出现，货舱内的燃烧反应基本已经结束；在900 s以后，货舱内由于窒息导致火焰熄灭并且不再产生烟气，烟气逐渐消散，浓度相应减低，直至3 600 s时，货舱内的烟气完全散去，氧气也全部耗尽，燃烧仅在舱口盖周围蔓延。
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图 2 角隅处火灾烟燃蔓延 Fig. 2 Smoke and fire spread in corner fire scenario |
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图 3 角隅火灾10m高度氧气浓度 Fig. 3 Oxygen concentration at 10m height in corner fire |
船舶货舱火灾温度场的分布对于船体结构及火灾扑救等有着重要的影响。因此深入研究温度场的分布具有十分重要的意义。图4为货舱角隅位置处新能源车发生热失控时整个货舱在10 m高度处的水平温度切片变化情况，图5为该高度测点温度变化曲线图，图6为货舱在该高度处的温度切片和探测器位置示意简图。在100 s时，燃烧反应尚未蔓延至该高度，温度无明显变化；在100～300 s期间，货舱角隅位置处的温度持续上升，300 s时最高达到了400℃左右，为该平面的最高温度；而在300～550 s期间，温度继续上升，550 s时角隅位置的最高温度已经上升至约
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图 4 角隅火灾10 m高度温度分布 Fig. 4 Temperature distribution at 10 m height in corner fire |
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图 5 角隅火灾10 m高度温度变化 Fig. 5 Temperature variation at 10 m height in corner fire |
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图 6 温度切片与探测器位置 Fig. 6 Temperature slice and detector positions |
图7为货舱角隅位置处新能源车发生热失控时的热释放速率变化情况。从图中可以观察到，在600 s左右时，整个货舱内的新能源车基本上都在剧烈燃烧，热释放速率达到了第一个峰值，约为180 MW；随后在600～800 s之间，货舱内氧气逐渐散去，形成窒息火，热释放速率随之下降，最低点达到了30 MW，此时货舱内的燃烧反应基本已经结束；900 s之后，燃烧开始向舱口盖周围蔓延，热释放速率开始上升，直至
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图 7 角隅火灾热释放速率变化 Fig. 7 Heat release rate variation in corner fire |
图8和图9分别为货舱中央区域一辆锂电池新能源车发生热失控后1 h内货舱中的烟气与燃烧蔓延情况和10 m高度处的氧气体积分数变化情况，设置其发生热失控的时间为0 s。在100 s时，货舱中央区域一辆锂电池新能源车电池包刚刚起火，烟气蔓延并不明显，氧气体积分数在10 m高度处基本无变化；到了300 s时，货舱中央位置处的折叠框架内3辆锂电池新能源车也开始剧烈燃烧，此时货舱内的烟气浓度也不断增加，氧气体积分数在中央位置处有略微下降；燃烧向上迅速蔓延；到了400 s，该折叠框架正上方位置处的所有新能源车都发生了热失控并剧烈燃烧，燃烧继续向上蔓延，同时烟气已经蔓延至货舱内大部分区域，氧气体积分数在货舱中央位置处下降到了0.1左右，而此高度整体浓度在0.18左右；550 s后，燃烧继续扩大并蔓延，整个货舱内的新能源车基本上都在剧烈燃烧，烟气笼罩了整个货舱，氧气体积分数下降到了0.07左右；在750 s时，烟雾浓度过高的同时氧气体积分数也下降到0.04左右，导致窒息火现象出现，货舱内的燃烧反应基本已经结束；随后，货舱内不再产生烟气，烟气逐渐散去，浓度减小，直至
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图 8 中央处火灾烟燃蔓延 Fig. 8 Smoke and fire spread in central fire scenario |
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图 9 中央火灾10m高度氧气浓度 Fig. 9 Oxygen concentration at 10m height in central fire |
图10为货舱中央位置处一辆新能源车发生热失控时整个货舱在10 m高度处的水平温度切片，图11为该高度测点温度变化曲线图，最初发生热失控的锂电池新能源车在货舱的9 m高度处。在100 s时，热失控的燃烧反应还处在初始阶段，温度无明显变化；在100～300 s期间，货舱中央位置处的温度持续上升，300 s时达到了500℃左右，为该平面的最高温度；在300～400 s期间，温度继续上升，燃烧迅速蔓延至货舱中央位置处上方的所有锂电池新能源车，400 s时中央位置的温度上升至约
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图 10 中央火灾10 m高度温度分布 Fig. 10 Temperature distribution at 10 m height in central fire |
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图 11 中央火灾10 m高度温度变化 Fig. 11 Temperature variation at 10 m height in central fire |
图12为货舱中央位置处新能源车发生热失控时的热释放速率变化情况。从图中可以观察到，在530 s左右时，整个货舱内的新能源车基本上都在剧烈燃烧，热释放速率达到了第一个峰值，约为300 MW；之后在530～700 s之间，货舱内氧气逐渐散去，形成窒息火，此时货舱内的燃烧反应基本已经结束，热释放速率也随之下降，最低点达到了30 MW；700 s之后，燃烧开始向舱口盖周围蔓延，热释放速率开始持续上升，直至
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图 12 中央火灾热释放速率变化 Fig. 12 Heat release rate variation in central fire |
根据数值模拟结果，可知船载锂电池新能源车货舱内火灾具有较强的破坏性和蔓延性，为降低此类火灾危害，提高船运安全性，提出以下举措和建议：
提高舱口盖密闭性：制定严格的舱口盖检查程序，在每次航行前、航行中和到达港口后，定期对舱口盖进行全面且细致的检查。检查内容包括密封胶条的磨损情况、老化程度、是否存在变形或损坏的迹象，以及舱口盖关闭后的紧密贴合程度等。若发现密封胶条存在严重磨损或显著老化，应立即进行更换；对于任何变形或损坏的舱口盖，需立刻进行修复。这些措施确保舱口盖始终保持良好的密封状态，防止氧气持续进入货舱，避免火灾在发生后迅速蔓延至其他区域，从而为火灾控制提供良好条件。
合理调整竖直方向的车辆间距：在货舱内，火灾的蔓延主要是沿竖直方向进行的。因此，通过优化车辆的固定方式和货舱内部的空间布局，能够在保证船舶载货能力不受影响的情况下，适度增加锂电池新能源车在竖直方向上的距离，从而减缓火灾向相邻车辆扩散的速度，降低火灾传播的风险。
采用烟感喷淋系统和CO2灭火系统：火灾发生初期，烟雾的生成和扩散通常比温度的变化来得更为迅速。因此，选用烟感消防装置能在第一时间检测到火灾的发生并自动采取相应的灭火措施。单纯的使用喷淋系统可迅速降低周围环境温度，防止高温对船舶结构和其他未起火车辆造成破坏，但可能导致货舱内积水，对未起火的车辆、货物等造成水渍损害，影响船舶后续正常运营，增加火灾后的损失和维修成本；单纯的使用CO2灭火系统可迅速降低氧气浓度，抑制火势蔓延，但可能会因为CO2气体分布不均匀，导致部分区域灭火效果不佳，尤其是高处或通风不良的角落位置，火灾可能持续燃烧。因此，可采取二者结合的方式，在降低氧气浓度的同时尽可能减少对货舱和新能源车辆的水渍损害而达到灭火效果，以最大程度降低火灾危害和经济损失。
增强货舱结构防火性能：在货舱内设置符合A-60标准的防火隔层。该防火隔层采用不燃性材料制成，具备卓越的隔热性能，在标准火灾条件下，其耐火极限可达60 min。通过严密的结构设计和精准安装，确保防火隔层能够有效阻止火焰、高温及烟雾在货舱之间的传播，防止火灾从发生区域蔓延至其他货舱。
4 结 语本文基于锂电池新能源车电池包的燃烧特性，利用PyroSim软件模拟了锂电池新能源车货舱内的2种火灾事故场景。研究结果表明：
1）2种火灾场景下，燃烧、烟气与温度的发展趋势一致：起初，剧烈燃烧反应促使火势迅速蔓延，烟气快速产生，温度急剧升高；最终，氧气耗尽，燃烧反应终止，货舱内明火熄灭，温度迅速下降。
2）相比货舱角隅位置处新能源车发生热失控，货舱中央位置处新能源车热失控时火灾发展更快，热释放速率峰值（300 MW）高于角隅位置（180 MW），危害更大。
3）为降低火灾危害，可采取提高舱口盖密闭性、合理调整竖直车辆间距、采用烟感喷淋与 CO2灭火系统结合、增强货舱结构防火性能（设置A-60防火隔层）等措施。
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