项目名称：复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科.doc

项目名称：复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科学问题首席科学家：谭建荣 浙江大学起止年限：2011.1至2015.8依托部门：教育部 浙江省科技厅二、预期目标1 总体目标针对国家重大工程建设与重要工业生产对复杂空气分离类成套装备的重大战略需求，研究复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化中的关键科学问题，揭示低能耗驱动大尺度混合流复杂界面形成规律，构建超大型化复杂空气分离类成套装备的多场耦合与多变量关联设计理论，探明高可靠性复杂空气分离类成套装备关键机组关键部机长寿命与稳定运行机理。在全过程大尺度混合流界面的能量迁移分析、多工况多参数多场耦合设计、多机组多部机寿命均衡设计与保质制造等方面取得源头创新成果，使我国复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化研究达到世界先进水平。同时，为国家培养一批从事复杂空气分离类成套装备研究、设计与制造的青年学术带头人和研究骨干。2 五年预期目标1）在理论研究方面：通过本项目研究，为812万等级复杂空气分离类成套装备设计制造的关键技术创新提供理论与方法支撑： 掌握临界和超临界状态空气物性参数，揭示空分成套装备内部多相流体的非定常流动演化机理，探索非平衡状态下全过程大尺度混合流复杂界面的渐变形成规律； 揭示压缩机、膨胀机等高速透平转子系统在多场耦合作用下的非线性振动特性与系统故障特征的映射关系，建立连续离散混合动力学系统统一表征理论，揭示空分成套装备机电、汽液、流固及热固多场耦合的作用机理与解耦机制。 掌握超大型空分成套装备多机组参数跨学科关联机理，揭示机组界面参数的相互作用及其传递规律，为空分成套装备多性能关联设计与工艺关联设计提供理论基础； 揭示复杂工况下超大型空分成套装备关键机组高可靠性长寿命机理；揭示关键零部件多尺度高精度保质制造机理，阐明零部件质量特性与机组、成套装备性能的映射规律，为超大型空分成套装备稳定可靠运行提供理论与方法基础。2）在工程应用技术方面: 在若干关键技术上取得创新和突破，使我国超大型、低能耗空气分离类成套装备研发水平跻身于世界前列，通过成果转化提高超大型、低能耗空气分离类成套装备的自主设计与制造能力。 实现812万等级复杂空气分离类成套装备自主设计，氧气纯度99.6% 以上，适应15%变负荷运行，外压缩流程单位氧产量电耗0.365-0.38kWh。混合工质的摩尔组分数据精确到0.1ppm，物性库计算值基本误差在0.5%以内。 建立空分成套装备关键机组不同结构的流场分布模型；突破多轴齿式循环增压机、高强度特长特宽板翅式换热器等核心机组的关键设计技术，形成多轴齿式循环增压机、大型低温透平膨胀机与离心增压机的热力性能、气动性能描述与动态仿真方法，实现高速透平机械能耗控制与性能预测； 实现高可靠性的空气分离类成套装备关键零部件多尺度高精度保质加工与质量控制技术；创建空分成套装备核心零部件多源多工序质量诊断、控制与补偿方法体系。 构建超大型空分成套装备关键机组性能实验台，为空分成套装备关键机组性能分析、状态监测、故障诊断与稳定运行提供实验依据。在国内外重要刊物上发表论文300篇以上，其中SCI/EI收录200篇以上；申请发明专利2030项；形成一支具有国际影响的从事空气分离装备理论与技术研究的队伍，培养一批优秀中青年人才，包括站在国际前沿的学术带头人12人，博士后、博士和硕士生150人。三、研究方案1、学术思路本项目的学术思想是针对复杂空气分离类成套装备超大型化、低能耗化的核心技术，围绕三个关键科学问题，开展六个方面的研究工作，在全过程大尺度混合流界面的能量迁移分析、多工况多学科多参数耦合设计、多机组寿命均衡设计与保质制造等方面取得源头创新成果。工作思路如图1所示。设计制造需求空气分离成套装备超大型化适应节能减排需要的低耗化复杂工况极端使役条件下的高可靠性关键科学问题低能耗驱动的大尺度混合流复杂界面渐变形成规律高可靠性关键部机的寿命均衡设计与稳定运行理论超大型化多机组多变量关联的场分离与场耦合原理主要研究内容1. 大尺度混合流与非定常流动界面形成规律2. 大型装备中动力学非线性耦合机理3. 复杂工况多机组多变量关联设计理论4. 多机组同步稳定与寿命均衡设计原理5. 关键部机高强度大构件保质制造技术6. 超大型空分装备性能实验、仿真与集成机械、低温、力学、信息、化工等领域综合交叉图1 项目整体学术思路源头创新成果全过程大尺度混合流界面的能量迁移分析理论多工况多学科多参数耦合设计理论多机组寿命均衡设计与保质制造技术空分装备性能数字化仿真与综合实验平台2、技术途径本项目的技术途径是结合制造科学的研究前沿和复杂空气分离类成套装备的发展趋势，从超大型空分成套装备设计制造的关键技术中凝炼科学问题，采取理论研究、规律探索与实验验证相结合、前沿技术研究与工程应用示范相结合的方式，集中和融合高等学校和装备制造企业各自的优势，开展复杂空分成套装备超大型化与低能耗化设计制造的关键科学理论和核心设计制造技术研究，并将研究成果用于指导工程实践。3、特色与创新1）项目特色l 多学科综合交叉：复杂空气分离类成套装备超大型化、低能耗化与高可靠性设计制造的关键科学问题涉及学科广泛，必须用多学科交叉的研究模式加以解决。通过低温、力学、化工学科的交叉，解决低能耗驱动的大尺度混合流复杂界面渐变形成规律与能量迁移机理；通过机械设计、信息学科的交叉，解决超大型化空分成套装备非线性动力学耦合与多工况多学科多参数关联设计问题；通过机械制造、低温、力学学科的交叉，解决复杂空气分离类成套装备运行稳定、关键零部件寿命均衡及关键机组保质制造问题。l 原始创新与集成创新相结合：在深低温混合流多相传热传质理论、装备非线性动力学场分离与场耦合机理、多变量多参数跨尺度异域关联机理、多机组寿命均衡与保质制造技术等方面形成原创性成果的基础上，通过多学科多系统技术成果融合汇聚，在812万等级超大型空分成套装备设计制造中实现集成创新，为形成具有市场竞争力的产品提供科学技术支撑。l 基础研究与装备应用相结合：从复杂空气分离类装备超大型化与低能耗化自主设计制造中提炼科学问题，解决超大型、低能耗复杂空分成套装备在机理、设计、制造与运行中的关键技术问题，在国内空分装备制造的龙头企业杭州杭氧股份有限公司的产品开发中实现应用验证，保证了基础研究有明确的载体。2）项目创新 采用深低温多相传热传质理论和多相流动交互作用理论研究超大型、低能耗空分装备空分过程能量流动规律，建立以Helmholtz自由能为状态参数基准，以格鲁尼森数为准则的仿生进化热力学优化方法，以重正化群理论约束临界区热物理奇异性为基础的深低温空分混合流体状态方程与新型混合法则。l 采用全三元可控涡理论及非定常流固耦合理论，研究大型离心压缩机内能量迁移规律，揭示叶轮内流体状态控制与叶片光滑可加工性之间的关联特性,提出低能耗大压比高可靠性空压机设计制造新方法，突破国外在先进空压机技术方面的封锁。 提出基于数值与几何相结合的空分成套装备多机组关联、多层次分析和多参数设计技术，揭示机组界面多变量多参数的关联机理以及机组界面多变量传递规律，解决跨机组的机电/汽液/流固/热固多场耦合与多学科关联的1600多个主要设计变量、12000多个设计参数的计算与分析难题。以质量-性能均衡设计原理为基础，揭示超大流量、高强度、大尺度关键机组关键部机的可靠性与寿命预测机理，阐明其服役性能退化机理及质量-性能-寿命的演化规律，解决关键机组关键部机高强度大构件保质制造难题，建立全寿命周期的空分成套装备稳定运行理论体系。4、 可行性分析复杂空气分离类成套装备是大型钢铁工程、大型乙烯工程、大型合成氨工程、大型甲醇工程、大型火电工程等国家重大工程必需的重大技术装备。特别是近年来，大型冶炼、大型石化、大型火电等重要行业的集约化发展，对空分装备提出了超大型化、低能耗化与高可靠性的需求，超大型低能耗空气分离类成套装备自主设计制造已成为国家重大需求。一直以来，项目牵头单位浙江大学与项目联合申报单位国内空分装备制造的龙头企业杭州杭氧股份有限公司开展了紧密合作，共同承担了国家863计划目标导向课题，对复杂空气分离类成套装备的快速响应设计技术进行了研究，同时，项目牵头单位浙江大学还承担了国家自然科学基金重点项目，对大型成套装备制造质量控制理论进行研究。项目联合申报单位西安交通大学在压缩机及膨胀机领域开展了系统深入的工作，建立了空分系统、低温液氮系统和低温透平膨胀机及低温Wilson点实验台，在我国多组分复杂化工介质离心压缩机气动性能闭式试验台上积累了大量多组份介质透平压缩机复杂工况内流机理试验数据及其模型，将科研成果转化成具有世界先进水平的一拖二原料空压机与多轴循环增压机联合机组以及节能型空分单轴等温型原料空压机。项目联合申报单位东北大学在设备运行稳定性和可靠性设计方法、机械系统非线性动力学、大型装备安全寿命设计等方面拥有雄厚的科研和开发能力，可进行大型压缩机、发动机等空分关键配套装备的研究与设计。项目联合申报单位上海交通大学在非线性振动与控制、转子动力学和故障诊断等方面进行了大量的研究，拥有大型设备转子系统10：1实验装备、气流激振转子实验装备和Bently转子实验系统。项目联合申报单位华中科技大学在复杂装备多领域物理统一建模等方面开展了深入的研究，提出了多领域约束融合理论，研发了多领域物理建模与仿真平台原型Mworks。项目联合申报单位大连理工大学在大型工业装备强度与可靠性分析方面取得了一批重要的研究成果，积累了雄厚的研究基础。项目联合申报单位中国计量学院在空气流动的数值仿真与测试、多相流体力学、旋涡模拟与控制等方面取得了一批重要的研究成果。项目联合申报单位杭州杭氧股份有限公司是亚洲最大的空分装备设计制造企业，是我国重大技术装备国产化基地，也是我国空分装备行业唯一一家国家级重点新产品开发、制造基地，拥有国家级技术中心。2008年12月宝钢与杭氧股份有限公司等联合设计制造了国内第一套最高等级6万等级空分装备。上述项目联合申报单位的相关科学研究和技术创新工作为开展复杂空气分离类成套装备超大型化与低能耗化的关键科学问题研究奠定了良好的理论和技术基础。 项目参与单位浙江大学、西安交通大学、东北大学、上海交通大学、华中科技大学、大连理工大学、中国计量学院和杭州杭氧股份有限公司建立了良好的合作关系，在机械工程、低温、力学、化工、信息等相关学科具有雄厚的科研基础和实力。各单位已相继开展了大型空分装备系统与相关单元技术的研究与开发工作，具有较高的研究工作起点。项目参与单位建有国家重点实验室6个、国家工程研究中心1个与国家重要装备制造基地1个，支撑条件好。研究队伍由2名院士、1名长江特聘教授、4名国家杰出青年科学基金获得者以及一批优秀中青年科研骨干组成，为项目的开展提供了必要的人才保障。5、课题设置围绕3个关键科学问题，将项目研究内容分为彼此密切衔接的6个课题。 科学问题一从流程、工艺与能量迁移等基础理论方面探索复杂空气分离类成套装备的低能耗化问题，该部分内容设置课题1，主要研究低温混合工质热物理性质和深低温多相传热、传质与流动规律，揭示旋转流道内跨音速相变瞬态界面的形成过程，揭示空分成套装备及其关键机组内部汽液流动过程能量转换机理。科学问题二从非线性动力学耦合、多机组多参数关联等方面探索空分成套装备多变量多学科场分离与场耦合机理，该部分内容设置课题2和课题3，主要研究大型装备中多因素非线性界面环境的动力学耦合作用与多机组多学科多参数的跨尺度关联机理，解决超大型空分成套装备多场耦合与多参数关联设计问题。科学问题三从关键机组失效机理、均衡寿命、保质制造等方面探索复杂空气分离类成套装备的高可靠性与稳定性问题，该部分内容设置课题4-课题6，主要研究复杂空气分离类成套装备关键机组可靠性与寿命预测机理，成套装备多机组寿命均衡设计理论，以及大流量高速转子、高强度特长特宽高压板翅换热器、超薄叶轮叶片等的制造难题，构建超大型空分成套装备系统性能集成仿真与关键机组实验平台，验证理论与方法的正确性和有效性。 课题1：大尺度混合流与非定常流动界面形成规律研究目标：以低温混合工质热物性精确预测为基础，重构具有高热力学完善度和基于亥姆霍兹能统一形式的基本型状态方程，建立新型流体混合法则，解决空分低温流体多元多相混合物性计算和相平衡界定问题。研究高速旋转流道内低温工质跨音速相变瞬态界面的形成过程，获取空分成套装备及其配套机组内部气体流动过程能量转换机理，掌握尺度效应、三元流动和实际气体特性对高速透平空压机、增压机及透平膨胀机能耗的影响规律，为大流量、高压比空分成套装备的能耗指标达到国际先进水平提供理论依据。研究内容：1）多物性低温流体混合法则与基本型状态方程重构研究深低温流体高精度、宽范围热物理性质，包括空分物料和产品中氧、氮、氩三种主要成分与稀有气体等微量成分的纯质及多组分混合流体的热物理性质。重构具有高热力学完善度和基于亥姆霍兹能统一形式的基本型状态方程。建立新型流体混合法则，解决空分低温流体多元多相混合物性计算和相平衡界定问题，应用重正化群理论解决临界区热物性计算精度难题，完善各组分超临界与亚临界区的热物性理论和基础数据群。2）跨临界瞬态界面形成机理基于不可逆过程热力学和非平衡热力学理论，以汽/液界面为主要研究对象，研究界面的结构、性能与转换机理和介观结构体系，探索非平衡界面的形成机理，并注重跨临界区膨胀起始状态点和非稳态过程与界面生成的关联，特别是多组分低温工质高速非稳态汽液相变与瞬态转化的动态规律。揭示全液体膨胀机与低温液体泵中液相连续、气相离散的典型两相流型特性、汽蚀过程气-液-固界面特性和相互作用机理及其对机组性能的影响。3）大流量吸附解吸过程传质特性与流场均布机理研究多层径向分子筛填充床的结构参数对吸附效果的影响及其机理，结合分子筛床层结构特点探明二氧化碳等气体成分超标机理。建立典型工况下的分子筛活化能耗模型，揭示其吸附动力学与填充床设计制造的映射关系，阐明分子筛加温再生受阻的原因并建立相应预防与控制机制。建立卧式和立式径向流分子筛中的气流均布和床层流程分析理论，获得高效吸附剂及其填充孔径和装填方法，构建大型分子筛工作效能、活性再生的基础理论。4）高压流体大温区非定常传热强化方法内部非定常流场及温度分布不均、纵向传热是板翅式换热器性能下降的主要因素。研究换热器内部高压流体两相流动、传热特性及其强化机理，优化翅片、流道及换热器入口几何结构，改进导流性能，获得换热器内部两相流体均匀分配方法，实现高效换热强化。建立板翅式换热器精确换热性能预测理论及方法。提高板翅式换热器承压能力，突破设计制造上的高压限制瓶颈。5）高速旋转流道内跨音速流动机理与能耗主动控制研究高速透平机械中尺度效应、三元流动、喘振和叶型选择对机组能耗的影响机制，实现大型低温透平膨胀机及增压机稳态与非稳态能耗预测，包括：叶尖间隙流动与叶道主流的相互作用机制以及流道形状效应和表面粗糙度对气动性能的影响，特定紧凑空间透平机械通流部分跨音速条件下叶轮与喷嘴/扩压器的非定常相互作用，喘振的机理及其控制。揭示高速旋转流道内工质跨音速流动机理，建立耦合气体动力学性能评估模型。基于全三元可控涡理论和能量层级控制理论，提出具有能耗主动控制的多轴多转速多叶轮设计理论和方法。经费比例：17%承担单位：浙江大学、中国计量学院课题2：大型装备中动力学非线性耦合机理研究目标：针对复杂空气分离类成套装备中连续、离散混合的非线性、强耦合动力学问题，研究连续离散混合系统统一表征理论及方法；揭示大型装备中多因素非线性界面环境的动力学耦合作用机理；建立多场耦合环境下空分设备中转子系统的非线性动力学模型，确定转子系统在非对称、非稳定外场作用下的非线性振动特性；提出转子系统非线性振动主/被动控制方法；实现基于多领域物理统一表达方法的复杂动力学系统解耦机制及求解方法。研究内容：1）多领域连续离散动力学系统的统一表征原理结合预冷、净化、冷却、精馏等工艺流程，研究空分成套装备及其多机组系统多领域耦合作用特性，认识空分成套装备状态过程非线性、连续离散混合的本质规律，揭示系统状态时变响应特性及状态传递关系；研究多领域连续离散动力学系统行为的统一表征原理，提出空分成套装备多机组系统状态模型的形式化表达方法，构建模型可重用、系统可重构的空分成套装备层次递阶建模理论体系。2）非线性界面环境下转子系统的非线性动力学规律研究非线性压力边界以及耦联载荷对透平压缩机、透平膨胀机转子系统的非线性作用和转子系统的非线性动力学耦合作用规律。研究流场、温度场、耦联载荷作用下多非线性界面耦合环境中转子系统的动力学特性，研究非对称、非稳定外场作用下转子系统非线性振动特性，研究由转子横截面温度不对称及温度场不稳定引起的转子系统非线性振动特征。 3）旋转机械转子系统故障非线性振动特性与抑制研究多场耦合作用下转子系统在升、降速通过一、二阶临界转速过程和在二阶临界转速以上运行时转子系统多种单一故障及耦合故障引起的非线性响应特性，分析诸如转轴弯曲、基础松动、裂纹、碰摩及其耦合故障发生的机理和演化规律。研究抑制转子系统非线性振动的结构参数和载荷参数优化，利用已有的电/磁流变阻尼器技术、挤压油膜阻尼器技术和可变支承刚度技术研究转子系统非线性振动的主/被动控制方法。4）跨机组时变非线性动力学耦合系统的解耦机制针对空分成套装备多输入、多输出及时变非线性特征，研究空分成套装备及其多机组系统多场耦合作用的内联要素及约束机制，分析时变非线性、连续离散混合系统状态方程的数理特性；研究刚性微分方程解析机制，提出大规模非线性微分代数方程的自适应归约及解耦策略，建立复杂多领域连续离散混合微分代数系统的分治解算方法。经费比例：17%承担单位：上海交通大学、华中科技大学课题3：复杂工况多机组多变量关联设计理论研究目标：针对超大型化设计中需要解决不同机组间存在的机/电/液/控/低温多学科关联的1600多个主要设计变量、12000多个设计参数的设计与分析问题，研究多机组多学科多参数关联机理，揭示机组界面参数的相互作用及其传递规律，形成空分成套装备多性能关联设计与工艺流程关联设计方法，实现空分成套装备关键机组参数的优化匹配及空分成套装备工艺流程的仿真优化，为提高空分成套装备设计质量与效率提供理论和技术基础。主要研究内容包括：研究内容：1）机组界面多变量多参数的跨学科异域关联机理针对空分成套装备中压缩、膨胀、换热、精馏等关键机组界面，研究跨学科、约束不完整、设计空间不连续等条件下各机组变量关联作用机制，建立数值与几何相结合的复杂成套装备多机组、多层次和多参数关联分析技术，认识非线性、强耦合作用下空分成套装备及其关键机组多变量关联的本质特性及演化规律；研究复杂装备多机组变量敏感性分析方法、多变量耦合的量纲处理方法，获取不同机组不同学科变量的关联形式与关联强弱，为超大型空分成套装备性能仿真及工艺优化提供原理支撑。2）变工况过渡状态混合维模型与多变量传递规律针对变工况条件下普遍存在的过渡状态、模糊状态等既不能用规则的整数维描述，也不能纯粹用分数维描述这类特殊状态建模与分析，研究整数维与分数维相结合的工程过渡状态、模糊状态混合维建模理论。研究基于设计历史与过程的多机组设计变量传递模型，实现复杂空分成套装备从功能设计、结构设计、性能分析到工艺流程设计的全设计周期的多参数多变量传递规律分析。 3）空分成套装备多变量多性能关联设计方法构建多技术参数性能的综合条件区域，建立影响成套装备整体性能的多参数复杂关联关系；研究多变量关联的性能反演分析模型，建立空分成套装备关键性能指标与多设计参数的映射规律；研究空分流程与参数变动对机组性能的影响与反馈，建立空分内外压缩流程的跨机组性能评价方法。4）空分成套装备多变量工艺流程关联设计方法建立空气净化、压缩、预冷、纯化、膨胀、换热和精馏等系统设计参数与工艺流程的关联，研究原料空气压缩机、分子筛吸附器、增压膨胀机、板翅式换热器和精馏塔等机组与部机的参数变动对关联机组工艺流程的影响。建立空分成套装备子系统及关键机组参数与工艺流程相互作用的动态关联，实现空分成套装备关键机组参数的优化匹配及空分成套装备工艺流程的仿真优化。经费比例：17%承担单位：浙江大学、杭州杭氧股份有限公司课题4：多机组同步稳定与寿命均衡设计原理研究目标：针对空分成套装备多机组寿命均衡设计要求，通过理论分析与试验, 阐明压缩机、膨胀机和动力装置等多机组运行过程中的失稳机理，揭示关键机组在复杂振动载荷作用下设备运行的稳定性准则和疲劳失效规律, 以及与可靠性的相互关联与作用机制，建立成套装备中最短寿命机组寿命预测理论，实现空分成套装备多机组零部件寿命均衡设计。研究内容：1) 关键机组寿命设计、运行稳定性与失稳预防理论研究复杂工况下空分成套装备回转设备轴承润滑、密封气流激振、叶片与叶轮及定子间含微间隙对故障发生和演化的影响规律及其对空分成套装备失效行为的作用规律，探索复杂环境下大型空分成套装备的失效发生机理与规律，建立大型空分成套装备寿命预测理论。结合空分成套装备多场耦合和复杂工况的特点，对系统及其关键零部件进行振动、疲劳强度、运行稳定性、动态可靠性等方面的设计，以使机组在满足基本功能的条件下获得优良的结构性能、使用性能和制造性能。2) 关键机组的疲劳失效机理及多机组寿命预测与排序研究基于寿命序列的关键机组零部件质量性能均衡设计，包括多机组系统中最短寿命零部件的功能替代设计原理、性能强化原理、寿命补偿设计原理以及长寿命零部件的质量-性能指标弱化设计方法。揭示低温高压等极端环境下空分成套装备关键机组性能-寿命的演化规律，研究离散随机损伤累积与连续损伤累积作用下成套装备服役性能退化定量评估与预测方法，分析易损件性能在服役时间坐标下的演变过程，对多机组寿命进行预测与排序。3) 机组动态可靠性设计原理与并联作用机制研究不同结构形式的机组在不同的载荷分布特征下，设计安全系数与可靠度之间的关系，提出基于可靠度的“概率设计安全系数”计算方法与模型；进行典型试件的寿命分布与可靠性试验；根据零部件结构、材料与载荷的分布特性、加工制造精度等计算满足规定可靠度指标的设计安全系数（概率安全系数）的模型，实现复杂空气分离类成套装备系统动态可靠性设计与并联作用机制。4) 多变工况下成套装备运行稳定性预测及优化结合空分成套装备系统多机组各种耦合方式及工艺特点，研究变工况变负荷条件下影响空分成套装备系统运行稳定性的主要因素，探明环境等不确定性扰动对系统运行稳定性的影响关系，揭示空分成套装备失稳形成机理，建立关键机组参数与设备运行稳定性的量化关系，提出空分成套装备变工况运行稳定性预测模型及系统状态失稳调控策略，建立空分成套装备整机运行稳定性定量评价体系。经费比例：18%承担单位：东北大学、大连理工大学课题5：关键部机高强度大构件保质制造技术研究目标：针对超大型化空分成套装备中大型压缩机、板翅式换热器等制造中的难点问题，研究大流量多轴耦合高速转子加工动态变形机理，提出高强度特长特宽高压板翅换热器的保质制造方法，实现大型压缩机中超薄叶轮叶片和刀具耦合动力学分析，揭示成套装备关键零部件多源多工序加工精度的形成机理，提出复杂零件加工误差在位检测技术与方法，从而，实现空分成套装备关键机组、关键部机保质制造。研究内容：1) 大流量多轴耦合高速转子加工动态变形机理转子是空分成套装备中压缩机、膨胀机等设备的关键零件,转子加工过程中的振动、变形是影响加工质量的关键因素，且难以控制。研究齿式传动多转子加工中定位转换工艺的依据及多轴平行对偶机制，研究制造加工偏差所造成的转子奇异性和全局分叉。研究转子组件加工过程中影响精度的多物理场复合作用规律及其对构件的综合激励特性，揭示轴系零件与刀具、机床耦联非光滑非线性动力系统的多尺度振动响应及动态变形产生机理，建立多物理场复合作用下的复杂轴系零件加工振动、变形的多尺度预测模型，提出大型轴系零件加工振动与变形抑制、校正策略。建立加工定位转换等制造偏差对多轴耦合转子动力特性的影响的量化模型，使机组在正常和极端工况下的转子稳定性和服役性能最优。2) 高强度特长特宽高压板翅换热器的保质制造方法高强度、低能耗的大型高压板翅式换热器制造一直是困扰我国空分成套装备大型化的一个难题。研究高压板翅式换热器翅片材料、翅片几何特性、翅片装配间隙、钎焊工艺（温升速度、温度、真空度）与抗高压、适应大温降能力的映射规律，提出基于先进制造工艺和新材料的高效、耐大温降和耐高压的板翅式换热器的制造原理，建立板翅式换热器生产过程关键质量检测体系，实现空分成套装备大型高压板翅换热器的保质制造。3） 超薄叶轮叶片和刀具耦合动力学及其对能耗的影响规律建立制造加工中超薄叶轮叶片结构和加工刀具耦合动力学模型，研究刀具和工件的强迫振动、自激振动及参数振动的机理，建立叶片结构加工的优化轨迹模型，实现加工效率、薄叶轮叶片的加工形状、表面精度控制的最佳均衡；研究超薄叶轮叶片加工中刀具颤振等因素造成叶片形状偏离设计点对叶轮能耗的影响规律及对叶轮叶片静、动应力和服役寿命的影响。4) 复杂零件多工序加工精度形成规律及在位检测理论超大型空分成套装备中的复杂零件具有尺寸大、精度高、加工工序多与安装复杂等特性，且在位检测理论、方法的滞后与匮乏，使得对零件加工精度的控制十分困难。研究多工序误差传递机理，阐明多工序误差在状态空间上的传递机制，揭示复杂零件加工精度的形成、传递规律；研究分析工艺系统对加工精度的耦合影响规律，建立复杂零件加工误差与工艺参数之间的反演模型，构建复杂零件多工序加工精度的预测模型；研究多工序复杂零件加工过程中加工误差与表面质量在位检测方法与技术；构建基于工序优化与在位检测融合的大型复杂零件加工精度与质量保证机制，形成特大型空分设备关键零件的核心制造技术。经费比例：15%承担单位：西安交通大学、浙江大学课题6：超大型空分装备性能实验、仿真与集成研究目标：针对空分成套装备及关键机组在设计制造运行中存在的性能评价和可靠性预测问题，通过建立仿真数字样机，模拟空分成套装备整机性能，实现整机性能优化与评估；通过构建关键机组性能实验台，研究大流量条件下规整填料塔内部混合物压力、温度、流量等重要参数的动态分布，揭示高传热系数小传热温差的翅片传热强化与大流量低温两相流均布机理，开展耦合故障作用下空分成套装备转子系统的非线性振动特性实验研究，通过超大型空分成套装备系统状态监测及故障诊断实验，为空分成套装备状态监测、故障诊断与稳定运行提供实验依据。研究内容：1）超大型空分装备数字样机性能集成仿真建立机械、低温、电子、液压、控制等多领域耦合的空分装备关键机组数字样机仿真模型，实现空分成套装备系统级动态模型组装，对装备的设计、制造、集成、作业及维修全生命周期过程进行分析与模拟，揭示装备静动态特性及其作业过程中的物理状态演化规律，模拟空分成套装备整机性能，实现空分成套装备复杂系统性能的动态仿真与评估，为空分成套装备超大型化设计的性能分析提供程序化、可视化的设计分析平台。2）大型深低温规整填料塔热质交换性能综合实验针对大型化低温精馏系统全工况低能耗、高可靠性的要求，搭建低温规整填料热质交换与流动特性综合测试平台，揭示大流量条件下规整填料塔内部混合物压力、温度、流量等重要参数的动态分布，建立集成填料压降、换质及溢流特性的综合试验方法，为低温精馏塔性能评估与优化提供实验依据。3）大型板翅式换热器传热与流动综合实验建立满足由高强度、高密度翅片组成的板翅式换热器单元芯体及均布结构件综合性能实验平台，借助粒子图像测速仪（PIV）等先进测量手段，开展换热器均布结构和强化传热结构的流场可视化研究，系统揭示高传热系数小传热温差的翅片传热强化与大流量低温两相流均布机理，检验新型换热器制造方法的可行性，为确定最优化传热结构和流体均布结构奠定基础。4）大型转子故障模拟和非线性振动及控制实验设计和研制用于透平机、膨胀机等转子系统非线性振动实验的转子模拟试验台；进行系统的非线性振动特性实验研究和碰摩、裂纹、基础松动、转轴弯曲、喘振等单一故障及耦合故障导致的转子非线性振动的试验研究；实验研究电/磁流变阻尼器等技术对透平机转子系统非线性振动的主/被动控制的效果。选择国内在役运行的典型空分大型旋转设备，通过现场测试转子系统的振动特性和提取转子系统运行的历史数据，分析系统的非线性振动响应特性。5）超大型空分装备系统状态监测及故障诊断实验空分成套装备在线状态监测与故障诊断是其安全运行的必要保障。建立温度、压力、流量、振动位移、轴心轨迹、电流、转速、噪声等有效状态监测参数采集与分析实验台，分析时域、频域、趋势等各种信号的特征，提出空分装备数据挖掘算法和性能诊断方法，为空分装备状态监测、故障诊断与稳定运行提供实验依据。经费比例：16%承担单位：浙江大学、杭州杭氧股份有限公司四、年度计划研究内容预期目标第一年1）开展空分流体组分纯质和两元或多元混合物相关的全面的文献调研；2）搭建PVT、比热容、声速和热导率热物性测试实验台；3）立式多层径向分子筛吸附器的结构研究；4）封头内部流场的分布规律研究；5）规整填料内低温流体压降特性CFD研究；6）研究气液相变过程中亚稳态体相内部活化分子的聚集状态，探讨在无外界扰动的平衡状态下，体相内部活化分子的存在方式以及单体与聚集体的浓度关系；7）描述气液相变的物理图景，利用体相在过热(过冷)极限点处的宏观性质来逆推体相与微小新相之间的界面张力；8）空分系统多领域物理耦合特性研究；9）研究非线性压力边界以及耦联载荷的非线性动力学耦合作用规律；10) 超大型空分成套装备中压缩、膨胀、换热、精馏等关键机组中机/电/液/控/低温多学科耦合关系及多变量描述方法；11) 超大型空分成套装备多机组变量敏感性分析、多变量耦合的量纲处理方法；12) 超大型空分成套装备多学科多变量设计平台详细设计；13）大型空分成套装备回转设备的动力学分析模型建立；14）大型空分成套装备有关因素对失稳故障发生和演化的影响规律及其对空分成套装备失稳失效行为的作用规律理论分析；15）关键机组另部件性能基础实验；16) 考虑加工偏差等影响因素，建立齿式转子动力学实验台，研究加工偏差对多转子系统动力学行为的影响；17)通过透平膨胀机热力性能、气动性能和可靠性评价，获得高速透平膨胀机结构方案及参数；18)大型尺寸的高传热系数、小传热温差的翅片通道结构设计与试验;19) 研究制造加工中超薄叶轮叶片结构和加工刀具耦合动力学，开展试验研究；20) 研究多工序误差传递机理，及复杂零件加工精度的形成、传递规律；21）超大型空分装备设计、制造、集成、作业及维修全生命周期过程分析与模拟；22）超大型空分装备静动态特性及其作业过程中的物理状态演化规律；23）超大型空分装备数字样机性能的动态仿真与评估。1）获得包括空分物料和产品中氧、氮、氩三种主要成分与稀有气体等微量成分的纯质及多组分混合流体的已存在的各类热物性实验数据及关联式或状态方程；2）建成20K-300K温区，压力至50MPa的相应物性测量实验台；3）推导出临界聚集浓度的表达式。确定体相处于过热(过冷)极限点时的内部分子能量分布特性；4）对经典理论的形核率作出修正；5）揭示空分系统及关键部机机电、电液、流固及热固耦合的作用机理及演化规律；6）揭示非线性界面环境对透平压缩机、透平膨胀机转子系统的非线性作用和耦合作用机理；7） 建立超大型空分成套装备多机组、多学科、多变量的关联表达模型；8）获取超大型空分成套装备不同机组不同学科的关键设计变量的关联形式与关联强弱；9）获得大型空分成套装备的非线性特性、系统故障特征10）大型空分成套装备的失稳失效发生机理；11）获得关键机组另部件的部分基础性能数据；12）给出对流换热以及热边界层增厚对凝结换热的影响；13)考虑加工偏差影响的多转子系统动力学模型； 14)应用高强度高密度翅片通道内气、液两相流的传热强化新机理、新结构，使其传热温差小于0.60.7K, 重量减少1/3，能耗减少15以上；15) 建立超薄叶轮叶片结构和加工刀具耦合动力学模型；16) 阐明多工序误差在状态空间上的传递机制，揭示复杂零件加工精度的形成、传递规律；17）建立机械、低温、电子、液压、控制等多领域耦合的超大型空分装备关键机组数字样机仿真模型；18）为空分成套装备超大型化设计的性能分析提供程序化、可视化的设计分析平台；19）发表论文60篇以上，其中SCI/EI收录40篇以上，申请发明专利4-6项；20）培养博士后、博士和硕士生30名。第二年1）针对文献调研显示数据空白区域进行实验测量；2）利用重正化群理论研究空分流体临界区特性，完善各组分超临界与亚临界区的热物性理论；3）基于热力学从状态信息和量热信息两个方面同时出发，结合重正化群理论框架，重构具有高热力学完善度和基于亥姆霍兹能统一形式的基本型状态方程；4）立式多层径向分子筛吸附器的再生活化能耗分析；5）封头结构内流场的可视化实验研究；6）规整填料内低温流体两相流动及传质特性CFD研究；7）用VOF方法追踪自由界面,处理汽液交界面上的相变导致的不连续速度场。数值模拟水平壁面上的膜态沸腾和竖直圆头柱体表面的自然对流膜态沸腾；8）实验研究竖直矩形窄缝流道内过冷沸腾的汽泡凝结过程；9）研究空分成套装备系统系统动力学模型的多领域物理建模原理；10）研究非线性界面耦合环境中转子系统的动力学特性，研究由转子横截面温度不对称及温度场不稳定引起的转子系统非线性振动特征；11) 超大型空分成套装备多机组、多层次和多参数关联分析；12) 变工况条件下超大型空分成套装备过渡状态、模糊状态建模；13) 基于设计历史与过程的超大型空分成套装备多机组设计变量传递；14）复杂环境下大型空分成套装备的失稳失效发生机理与规律分析，关键机组参数与设备运行稳定性的量化关系研究；15）关键机组另部件性能基础实验；16）加速寿命试验的理论模型建立；17）关键零部件的质量-性能指标弱化规律研究；18)开展加工偏差对齿式转子动力学系统动力学影响的试验研究，研究转子组件加工过程中影响精度的多物理场复合作用规律及其对构件的综合激励特性；19)对各种均布结构分期进行小件试验及工业性结构试验，进行传热试验；20)研究刀具和工件的强迫振动、自激振动及参数振动，继续开展试验研究；21) 研究分析工艺对加工精度的影响规律，研究复杂零件多工序加工精度的预测模型；22）大型化低温精馏系统填料结构优化设计数学模型及有效减小流体不均匀性的结构及方法；23）大流量条件下规整填料塔内部混合物压力、温度、流量等重要参数的动态分布；24）大型化低温精馏系统集成填料压降、换质及溢流特性的综合试验方法。1）获得空白区域的关键性PVT、比热容、声速和热导率热物性实验数据，结合文献调研数据形成完整的参考物性数据库；2）解决临界区低温流体热物性计算不确定度问题；3）获得结合多方完整信息的新型空分流体状态方程框架，以参考数据为基础，获得各组分纯质气体专用的高精度、宽范围基本型状态方程；4）给出水平壁面上的膜态沸腾和竖直圆头柱体表面的自然对流膜态沸腾的规律；5）给出对流换热以及热边界层增厚对凝结换热的影响；6）掌握复杂非线性界面环境下转子系统的非线性动力学规律，包括转子系统的稳定性和失稳模式以及其对系统参数的敏感性；7）提出空分系统可重用的模型知识统一表征的形式化方法；探索大型空分成套设备的系统连接机制，研究其多领域功能模型综合集成原理，提出可重构的模型集成方法；构建模型可重用、系统可重构的空分系统层次递阶建模理论体系；8）实现数值与几何相结合的复杂空分成套装备多机组、多层次和多参数关联分析；9）建立整数维与分数维相结合复杂空分成套装备变工况过渡状态混合维模型；10）获取面向产品全设计周期的复杂空分成套装备多参数多变量传递规律；11）获得在复杂环境下空分成套装备的非线性特性、系统故障特征映射关系；12）获得关键机组另部件性能加速寿命试验方法；13）获得关键零部件的质量-性能指标弱化规律的表征方法；14）给出对流换热以及热边界层增厚对凝结换热的影响；15) 揭示制造加工偏差影响转子奇异性和全局分叉等动力学行为的机理。提出加工精度对构件综合激励特征的描述方法；16)使新的均布结构的均布效果比现有结构提高15；17)揭示刀具和工件的强迫振动、自激振动及参数振动的机理；18) 形成复杂零件多工序加工精度的预测模型；19）针对大型化低温精馏系统全工况低能耗、高可靠性的要求，完成低温规整填料热质交换与流动特性综合测试研究；20）建立精馏塔内各参数随进出口条件变化的非稳态反应规律及相应调控机制，为低温精馏塔性能评估与优化提供实验依据；21）发表论文60篇以上，其中SCI/EI收录40篇以上，申请发明专利4-6项；22）培养学术带头人1人，培养博士后、博士和硕士生30名。第三年1)建立面向基本型状态方程的新型流体混合法则，解决空分低温流体多元多相混合物性计算和相平衡界定问题；2）立式多层径向分子筛吸附器的再生活化能耗分析；3）改进型封头结构的研究；4）搭建小型低温流体规整填料压降实验台，并进行试验；5）采用数值模拟方法研究高速旋转流道内部的跨音速流动特性，分析通道结构对流动的影响。针对跨音速旋转流道内流，对稳态可压缩湍流流动进行求解；6）研究结构化模型知识的数学平坦化映射；7）研究连续离散微分代数系统的特性与求解；8）超大型空分成套装备多技术参数性能的综合条件区域获取；9）超大型空分成套装备多变量关联的性能反演分析；10）空分流程与参数变动对机组性能的影响与反馈；11）进行大型空分成套装备非线性动力学试验；12）关键机组另部件性能基础实验；13）基于寿命序列的关键机组零部件质量性能均衡设计研究；14）成套装备服役性能退化定量评估与预测方法研究；15) 建立轴系零件与刀具、机床耦联非光滑非线性动力系统的多尺度振动响应及动态变形计算分析模型；16) 进行大型尺寸两类换热器的高强度制造工艺实施，开展具体设计、工艺、制造；17) 研究薄叶轮叶片结构加工效率、加工形状、表面精度控制的最佳均衡理论；18）研究复杂零件加工误差与工艺参数之间的反演规律及量化模型；19）大型板翅式换热器均布结构和强化传热结构的流场可视化；20）大型板翅式换热器高传热系数小传热温差的翅片传热强化与大流量低温两相流均布机理；21）借助粒子图像测速仪（PIV）等先进测量手段，检验新型大型板翅式换热器制造方法的可行性。1）获得一套适用于空气组分低温流体的多元多相热物性计算的流体混合法则，可以计算氧、氮、氩三种主要成分与稀有气体等微量成分的纯质及多组分混合流体在各自三相点以上至室温300K区间，压力50MPa以内的任意组合热物性，包括PVT、比热容、焓、熵等；2）给出流体速度、压力和温度的变化特征；3）实现知识驱动的连续离散系统状态方程体系自动生成与计算的技术； 4）实现大规模非线性微分代数方程的自适应归约及解耦策略，建立复杂多领域连续离散混合系统微分代数系统的分治解算方法；5）建立超大型空分成套装备关键性能指标与多设计参数的映射；6）实现超大型空分内外压缩流程的跨机组性能设计、仿真与分析；7）揭示大型空分成套装备的失稳失效发生机理与规律；8）揭示极端环境下大型空分成套装备性能-寿命的演化规律；9）给出对流换热以及热边界层增厚对凝结换热的影响；10) 揭示轴系零件与刀具、机床耦联系统振动响应及动态变形产生机理；11) 形成满足大型化装备的两类换热器的安全可靠运行的检测标准；12) 建立叶片结构加工的优化轨迹模型，实现加工效率、精度的最佳匹配技术；13)建立复杂零件加工误差与工艺参数之间的反演模型；14）完成满足由高强度、高密度翅片组成的大型板翅式换热器单元芯体及均布结构件综合性能实验研究；15）获得大型板翅式换热器内部两相流体均匀分配方法，实现高效换热强化，为确定最优化传热结构和流体均布结构奠定基础；16）发表论文60篇以上，其中SCI/EI收录40篇以上，申请发明专利4-6项；17）培养博士后、博士和硕士生30名。第四年1）开发通用空分流体物性模块；2）对通用空分流体物性模块进行应用测试；3）新型、节能的变温吸附工艺流程的研究；4）板翅式换热器两相流物流分配的研究；5）搭建液氮溢流特性实验台，并进行试验；6）研究高速旋转对流道内跨音速流动进气道稳定工作范围的影响；7）采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术，对高速旋转流道内复杂流场进行数值模拟；8）研究多场耦合作用下转子系统在升、降速运行时转子系统多种单一故障及耦合故障引起的非线性响应特性，分析故障发生的机理和演化规律；9）空分成套装备变工况运行性能仿真及优化研究；10）空气净化、压缩、预冷、纯化、膨胀、换热和精馏等系统设计参数与工艺流程的关联；11）超大型空分成套装备中机组参数变动对工艺流程的影响；12）超大型空分装备多学科多变量工艺优化设计；13）不同结构形式的机组零部件在不同的载荷分布特征下的失效特征分析，关键部件和材料在组合载荷作用下的动态失效机理研究；14）零部件-结构-系统多层次上大型空分成套装备的失效模型的建立，设计安全系数与可靠度之间的关系分析；15) 研究多物理场复合作用下的复杂轴系零件加工振动、变形的计算方法和模型，研究大型轴系零件加工振动与变形抑制、校正策略；16) 提出基于先进制造工艺和新材料的高效、耐大温降和耐高压的板翅式换热器的制造原理，建立板翅式换热器生产过程关键质量检测体系；17)研究超薄叶轮叶片加工中刀具颤振等因素造成叶片形状偏离设计点对叶轮叶片静、动应力和服役寿命的影响；18) 研究多工序复杂零件加工过程中加工误差与表面质量在位检测方法与技术；19）多场耦合作用