【基金标书】2011CB706500-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

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： 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 以上，适应 15% 变 负 荷 运 行 ， 外压缩流程 混合工质的摩尔组分数据精确到 物性库计算值基本误差在 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 I 收录 200 篇以上；申请 发明专利 20 30 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。 2、 技术途径 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 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 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。 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。 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 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。 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 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 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 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 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 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，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 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 示低温高压等极端环境下 空分成套装备关键机组 性能 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（ 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 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 ； 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 20力至 50 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 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 研究内容 预期目标 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。 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 0 篇以上，申请发明专利 4 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 究 ； 7） 用 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1）获得空白区域的关键性 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 研究内容 预期目标 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 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 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 0 篇以上，申请发明专利 4究内容 预期目标 降、换质及溢流特性的综合试验方法。 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 ； 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 50括 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 ； 研究内容 预期目标 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