消防科学与技术杂志论文格式要求是什么?

消防科学与技术杂志近十年出版发文量：

消防科学与技术杂志论文格式要求

1.一般要求：文章用语要规范，应使用书面语，减少修饰语、修辞手法的使用，避免使用口语、方言；文章篇幅尽量不超过7000字（包括图表、参考文献、中英文摘要所占篇幅，即A4纸10磅字6～7页版面）。

2.基金：基金项目或课题产出论文，将会优先选用，应将项目名称和编号著录于首页页脚，项目或课题合同封面上传至投稿系统。

3.题目：中文题目一般不超过20个字，关键词宜为5～8个，摘要不应少于200字，并应提供对应的英文。

4.参考文献：参考文献一般不少于8条，在正文中引用位置以上角标形式标注，其著录格式参见本刊网站“投稿指南→参考文献的著录格式”模块。

5.署名：作者单位名称应具体到二级单位，如大学应具体到学院一级。请在文章末尾注明第一作者的姓名、性别、出生年月、工作单位及职称、学历、主要研究方向（或工作内容）、详细通讯地址、电话和电子信箱，以及通信作者的姓名、工作单位、电话和电子信箱。

6.量和单位：论文（含图表）中量和单位的使用应严格按GB3100～3102-93《量和单位》执行。不允许使用不规范的量的名称、符号及非法定计量单位。同一篇文章中，一个字母不能表示两种物理量，同一个物理量也不能出现几种不同的表示方式。除了特别常用的符号外，一般符号必须说明含义。

7.图/表：文中图、表应具有中文、英文两种语言的图题、表题，应有自明性，先文后图/表。表的内容不应与图和文字内容重复。图中文字、符号、纵横坐标中的标值、标值线必须写清，标目应使用法定计量单位（一般不用中文表示）。本刊使用全彩色印刷，提供的图表还应符合以下要求：

（1）矢量图及数据生成的图，须为可双击调用软件编辑的原图，如：Visio、Matlab、Origin、Tecplot、Autocad、Coreldraw、Illustrator、Excel等软件支持打开的格式文件。框线及区域避免使用图案填充，统一以实色填充；

（2）情景图、现场照片等要求分辨率不小于300dpi，格式为jpg、png、tif、psd，不带文字、时间等水印，确需加文字的，要图、文分离。为保证图片效果，要求图片上只保留少量必要的文字；

（3）不能使用从印刷品扫描得到的图片。

 

进入期刊首页

1.锂离子电池储能舱液氮灭火数值模拟研究

作者：于永;宋宇辰;周伟;王志

作者单位：南通市消防救援支队;中国矿业大学

关键词：锂离子电池储能舱;液氮灭火;喷头数量;喷雾角度;数值模拟

　　摘 要：为研究液氮对储能舱火灾的抑制效果，通过数值模拟的方法，模拟了储能舱内锂离子电池模组的热 失控。比较了常压和低压环境下液氮和细水雾的灭火效果，并进一步研究了喷头数量以及喷雾角度 对储能舱液氮灭火效果的影响。研究结果表明，在抑制储能舱锂离子电池热失控蔓延方面，无论是 常压还是低压环境，液氮都比细水雾的效果更佳，且随着喷头数量增加、喷雾角度减小，液氮的灭火 效果进一步增强。因此，通过设置不同数量和喷雾角度的喷头，可以优化储能舱火灾中液氮的灭火 效果。研究结果可为锂离子电池储能舱液氮灭火设计提供依据。

　　为解决太阳能和风能等可再生能源储能及发电 的间歇性问题，同时为平衡电网负荷，提高电网运行 效率和稳定性，近年来电化学储能技术迅速发展。锂 离子电池由于高能量密度、长使用寿命、绿色环保等 优异的电化学性能［1］ ，被广泛应用于电化学储能。然 而，由于其固有的不稳定性，在机械滥用、电滥用、热 滥用条件下，锂离子电池可能发生热失控［2］ 。而当锂 离子电池用于电化学储能舱时，如果其中一个锂离子 电池发生热失控，那么其释放的热量会引燃附近的锂 离子电池，造成热失控蔓延，最终导致整个储能舱发 生严重的火灾爆炸事故。因此，在储能舱内部设置灭 火系统抑制锂离子电池热失控及其蔓延十分有必要。

　　以往学者已对锂离子电池热失控以及热失控蔓 延进行了大量研究并已证实其危险性。ZHANG Q S 等［3］ 通过外部加热触发锂离子电池热失控，结果表明 热失控的锂离子电池会喷射火焰，且会释放大量热量 并产生大量的可燃气体。ZHANG X 等［4］ 揭示了电池 组系统中的热失控传播行为，发现热失控会在电池之 间迅速蔓延，产生的高温高压会使铝制模块结构发生 变形和熔化。因此，当锂离子电池发生热失控后，采 用何种方法能够有效抑制其热失控，成为人们关注的 问题。LIANG C 等［5］ 的试验结果表明 ，全氟己酮对 锂离子电池火灾具有良好的灭火效果。ZHANG Y 等［6］ 研究认为细水雾可对热失控锂离子电池进行降 温，抑制火灾的发生。刘通等［7］ 试验证明气凝胶可在 热失控的电池表面形成致密的泡沫层阻隔氧气，具有 出色的抑火效果。WANG Z R 等［8］ 研究认为液氮对 热失控及锂离子电池热失控传播具有显著的抑制效 果。为进一步了解锂离子电池的火灾特性及相关灭 火技术对电池火灾的抑制能力，JI C W 等［9］ 利用 FDS 建立锂离子电池模组火灾模型并开展细水雾灭火的 仿真研究，研究了细水雾喷头数量、安装角度等对锂 离子电池火灾的抑制情况。XIE J 等［10］ 对锂离子电 池仓储的不同火灾场景进行模拟，发现喷淋作用可以 有效降低火灾的热释放速率峰值。禹进等［11］ 基于实 际储能舱尺寸建立几何模型研究细水雾对锂离子电 池火灾的抑制作用 ，模拟结果表明细水雾的喷射强 度、布置位置及细水雾特征参数对灭火性能影响很 大。然而，由于锂离子电池火灾的危险性，相关锂离 子电池灭火研究大都集中在单体电池或模组级别，对 储能舱级别的火灾及灭火研究仍存在空白。因此，本 研究利用数值模拟，研究液氮灭火对储能舱火灾的影 响及其火灾特性，并与细水雾的灭火效果进行对比。

　　1　模型建立

　　1.1　模型设置

　　FDS 已被广泛应用于模拟锂离子电池火灾 ，其 有效性已得到验证［9-11］ 。本模拟研究对象为 20 英尺 （6.096 m）标准锂离子电池储能舱 ，以 1：1 建立物理 模型，如图 1 所示。储能舱两侧有开口。内部两侧对 称布置电池架 ，间隔 1.2 m。电池架上均匀放置若干 电池组。一侧电池架中部设置引火源，用于点燃电池 组，模拟由于内部电池组短路发生热失控而引发的火 灾。距储能舱顶部 0.1 m 处设置有消防喷头，根据研 究需要间隔布置，并根据相关灭火研究及规范［9，12］ 设 置喷头参数 ，其中喷头流量设置为 0.8 kg/s，雾滴粒 径为 500 μm，喷头开启温度为 60 ℃。

　　1.2　模型验证

　　参考前人的锂离子电池热失控试验，设置单体电 池热失控温度为 120 ℃ ，热释放速率为 25 kW，对单 体电池进行简化建模［13］，并进一步对电池模组进行 简化建模。电池模组由 4 块单体电池组成，由于单体 电池在连接时中间会布置夹具和密封装置，其尺寸略 大于 4 块单体电池的直接叠加，如图 2 所示。

　　为验证单体电池火灾模型的有效性，将模拟结果 与试验结果进行对比［13］，如图 3（a）所示。可以看到 模拟与试验的热释放速率上升速率与峰值基本一致， 但由于模拟是通过设置引火源燃烧对锂离子电池进 行加热，不同于试验加热棒的加热方法，使得模拟的 热释放速率在 50 s 附近略大于试验结果。此外，因为 试验中锂离子电池发生热失控时内部电解液喷发，燃 烧更剧烈且迅速，导致热释放速率下降的时间更早。 除此之外，模拟与试验具有较好的一致性。

　　对电池模组进行验证，结果如图 3（b）所示，可以 发现热释放速率峰值达到 60 kW 左右，与 STURK D 等［14］ 的试验结果一致。综上所述 ，所建立的电池模 组火灾模型具有一定的可靠性。

　　此外，为保证液氮或细水雾灭火模型的可靠性， 将单体电池的液氮或细水雾灭火的模拟结果与前人 试验进行对比［15-16］ ，如图 3（c）所示。可以看到，模拟 与试验结果具有较好的一致性。与细水雾相比，液氮 可以更快速地降低热失控电池的温度。

　　1.3　网格验证

　　模拟研究中，网格大小对模拟结果具有决定性的 影响。网格尺寸过大不能满足精度要求，会造成计算 误差，甚至导致计算错误。网格过小又会导致计算量 增加，计算耗时太长。根据 FDS 网格敏感性分析，网 格尺寸的经验值为特征火焰直径的 1/16~1/4 较为 合适。其中特征火焰直径 D* 的计算见式（1）［12］ 。

　　式中 ：Q 为火源的热释放速率 ，kW；ρ∞ 为空气密度 ， 取 1.2 kg/m3 ；cp为空气的比热容 ，取 1 kJ/（kg.K）；T ∞ 为环境空气温度 ，取 293 K；g 为重力加速度 ，取 9.8 m/s2 。 此外，网格大小还要考虑模型中最小障碍物的尺 寸，如果网格大于最小障碍物的尺寸，则 FDS 无法对 其识别，会导致计算错误。所以，结合式（1）火源直径 的计算结果和最小障碍物尺寸，选择 0.15、0.12、0.10、 0.08 m 共 4 种网格大小，对网格敏感性进行分析。图 4 为不同网格尺寸下锂离子电池储能舱内同一点处 的温度变化曲线。结果表明，当网格尺寸小于 0.12 m 时，温度曲线基本一致。为保证模拟计算的准确性， 选择 0.10 m 的网格尺寸进行模拟。

　　1.4　模拟工况

　　为探究锂离子电池储能舱液氮灭火的效能，将液 氮灭火与细水雾灭火进行比较，对比了常压和低压环 境下液氮与细水雾的灭火能力。分析了喷头数量对 液氮灭火效果的影响，分别设置 1、3、5 只喷头 3 种工 况，具体布置方式如图 5 所示。设置了 4 种喷雾角度， 探究喷头喷雾角度对液氮灭火的影响。此外，还设置 了无任何灭火措施的工况作为对照组。详细模拟工 况设置如表 1 所示。

　　2　液氮灭火及火灾特性研究

　　2.1　储能舱火灾特性

　　图 6 为常压或低压环境下，液氮及细水雾作用下 储能舱火灾的热释放速率变化，并与未设置灭火装置 的储能舱火灾进行比较。结果表明 ，在常压或低压 下，未设置灭火装置的储能舱火灾的热释放速率峰值 分别达到约 9、6 MW。低压环境下热释放速率较低 是由于氧气浓度较低 ，电池模组不能充分燃烧［17］ 。 在液氮或细水雾的作用下，热释放速率显著下降，热 释放速率峰值在 350 kW 左右。这主要是因为电池模 组发生热失控后储能舱内部温度升高 ，触发喷头动 作，喷射液氮或细水雾，对热失控的电池模组进行降 温，阻止了电池模组之间的热失控传播，热释放速率 降低。另外，与细水雾相比，液氮对火灾的抑制效果 更好。常压下采用液氮或细水雾灭火时，储能舱火灾 的热释放速率峰值差别较小，但对于液氮灭火，热释 放速率达到峰值后会迅速下降，这是因为液氮具有更 低的温度和较大的潜热 ，同时 ，液氮具有 1：694 的膨 胀比，汽化后产生大量氮气，降低了环境中的氧气浓 度 ，抑制了火灾发展［15］ 。这种特性在 65 kPa 下更加 明显。

　　在常压环境下，当储能舱内发生火灾，喷头将在60 s 左右达到设定温度并动作 ，100 s 左右火势得到 控制。因此 ，选取 100 s 时储能舱内的温度切片对储 能舱灭火情况进行分析。图 7 为常压、低压环境下液 氮、细水雾灭火的温度切片，同时与常压、低压环境下 无灭火装置的温度切片进行比较。结果表明，未设置 消防喷头时，发生热失控的电池模组不断引燃附近电 池模组，导致热失控蔓延，储能舱内部温度不断升高， 200 ℃以上的高温区域分布范围较大。此外，低压环 境下，电池模组发生热失控的时间更快［18］ ，导致热失 控蔓延速度更快，100 s 时引燃的电池模组更多，高温 区域的分布范围更广。当加入液氮或细水雾灭火时， 火灾在电池模组之间的蔓延得到有效控制，温度显著 下降。同时，低压环境下，受氧气浓度限制，热释放速 率较小，火灾较易控制，100 s 时储能舱内部温度基本 降至 50 ℃以下。

　　进一步，对不同工况下储能舱火灾的最高温度进 行分析，如图 8 所示。可以看到，未设置灭火装置时， 储能舱内部最高温度达到近 1 000 ℃，设置灭火装置 后，液氮或细水雾的喷射抑制了电池模组之间的热失 控蔓延，火灾得到有效控制，储能舱内的温度显著降 低 ，最高温度只有 600 ℃左右。且采用液氮灭火时 ， 其最高温度更低。综上所述，在锂离子电池储能舱内 设置消防灭火系统，可以有效抑制火灾蔓延，且无论 在常压还是低压环境下，与细水雾相比，液氮具有更 好的火灾抑制效果。因此，接下来对锂离子电池储能 舱液氮灭火系统的设置进行进一步研究。

　　2.2　喷头数量的影响

　　图 9 为不同喷头数量下锂离子电池储能舱火灾 的热释放速率变化趋势，同时与对照组进行了对比。 结果表明，设置 1 只喷头不能抑制电池模组之间的热 失控传播，电池架上的电池模组均发生热失控，整个 锂离子电池储能舱发生火灾，但火灾剧烈程度较轻， 热释放速率峰值为 7 MW 左右，与对照组（约 9 MW） 相比明显降低。喷头数设置为 3 只或 5 只时，可以有 效抑制电池模组之间的热失控传播，阻止火灾扩大， 热释放速率峰值分别为 420、360 kW。分析原因为随 着喷头数量增加，同一时刻下，喷放的液氮总量增加， 热失控电池模组释放的热量可以更好地被吸收，进而 降低环境温度。另一方面，单位时间喷出的液氮量越 多，受热汽化为氮气的量也越多，从而降低了氧气体 积分数，控制了电池模组进一步燃烧。

　　对 100 s 时不同喷头数量下储能舱火灾的温度切 片进行分析 ，如图 10 所示。可以看到 ，对照组中 ，火 焰迅速蔓延并引燃电池模组 ，高温区域不断延伸 ， 200 ℃以上高温区域的覆盖高度达到 2 m。喷头数量 为 1 只 时 ，一 定 程 度 上 可 以 限 制 火 灾 蔓 延 的 速 度 ， 200 ℃以上高温区域的覆盖高度只有 2.5 m 左右。喷 头数量增加，温度降低，尤其当喷头数量为 5 只时，储 能舱内部温度降至 200 ℃以下。

　　不同工况下储能舱火灾的最高温度如图 11 所 示。随着喷头数量增加，最高温度降低。对照组最高 温度达到 989 ℃ ，而喷头数量为 1、3、5 只时 ，最高温 度分别为 877、669、597 ℃。

　　2.3　喷雾角度的影响

　　为了保证灭火效果 ，选择喷头数量为 5 只 ，改变 喷雾角度进行分析。图 12 为不同喷雾角度下锂离子 电池储能舱火灾的热释放速率变化趋势。可以看到， 不同工况下的热释放速率在 100~250 s 时呈先上升 后下降的趋势，这是由于液氮汽化后产生的氮气在浮 力的作用下向上运动，与液氮喷射方向相反，一定程 度阻碍了液氮继续对热失控电池进行冷却，而热失控 电池的化学反应仍未停止，因此，热释放速率出现回 升，但随着液氮的持续喷出，环境温度持续降低，热释 放速率逐渐下降直至为 0。此外 ，喷雾角度越小 ，热 释放速率越小，且热释放速率峰值越小。喷雾角度为 60°~75°时 ，热释放速率峰值在 350 kW 左右 ，喷雾角 度减小至 15°~30°时，热释放速率峰值降低至 150 kW 左右 ，下降近 57%。原因是模拟中引火源设置在一侧电池架中部，造成电池架中部的电池模组率先发生 热失控 ，而喷头布置在距储能舱顶部 0.1 m 处 ，当喷 雾角度不断减小，液氮可以直接喷射在发生热失控的 电池模组上 ，从而实现更快的降温 ，抑制热失控传 播［19］ 。当喷雾角度增大 ，液氮会先喷在电池架上方 未发生热失控的电池模组上，导致液氮到达火源的时 间增加，液氮的气化量增加，到达火源处的液氮量相 应减少。

　　图 13 为 100 s 时不同喷雾角度下储能舱火灾的 温度切片。可以看到 ，当喷雾角度为 60°~75°时 ，除 火源处以及储能舱顶部附近小部分区域外，储能舱内 部温度基本降至 200 ℃以下，火势得到控制。但随着 喷雾角度减小 ，100 s 时储能舱内部温度已降至接近 室温。当喷雾角度为 15°~30°时 ，随着液氮持续喷 出，储能舱内部相当一部分区域的温度已降至零下。

　　不同喷雾角度下储能舱火灾的最高温度如图 14 所示。可以看到，喷雾角度越小，最高温度越低，原因 与前述相同。但本模拟研究只考虑了引火源在电池 架中部的情况，很显然，当引火源设置在电池架其他 位置，如顶部或底部，将会影响最佳喷雾角度。

　　3　结 论

　　本文研究了锂离子电池储能舱液氮灭火，并从热 释放速率、温度分布、最高温度 3 个火灾特性参数进 行分析，讨论了细水雾和液氮在常压和低压环境中的 灭火能力，并进一步分析了不同喷头数量、喷雾角度 对液氮灭火的影响。研究结果可为锂离子电池储能 舱的消防灭火设计提供依据。

　　1）灭火系统的设置可以显著抑制锂离子电池储 能舱火灾发展，且无论在常压还是低压环境下，与细 水雾相比，液氮都具有更好的火灾抑制能力，可以有 效降低储能舱火灾的热释放速率以及温度。但由于 液氮存储的成本以及对环境的影响，液氮仍不能完全 取代细水雾。考虑将液氮与细水雾协同灭火从而实 现高效的灭火效率，是未来的研究目标。

　　2）喷头数量会影响灭火能力。当喷头数量为 1 只时，可以降低火灾的剧烈程度，但无法抑制储能舱 内电池模组的热失控传播，火灾仍会蔓延至整个储能 舱。当喷头数量增加至 3 只或 5 只时，液氮灭火可以 有效抑制电池模组的热失控传播，将火灾控制在一定 范围内。且喷头数量越多，液氮灭火的效果越好。

　　3）喷雾角度会对锂离子电池储能舱灭火造成影 响。当火源发生在电池架中部时，喷雾角度越小，灭 火效果越好 ，本研究中 ，喷雾角度为 15°~30°时灭火 效果最好。