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

1、项目名称：复杂空气分分离类成成套装备备超大型型化与低低能耗化化的关键键科学问问题首席科学家家：谭建荣 浙浙江大学学起止年限：2011.1至220155.8依托部门：教育部 浙江省省科技厅厅二、预期目目标1 总体目目标针对国家重重大工程程建设与与重要工工业生产产对复杂杂空气分分离类成成套装备备的重大大战略需需求，研研究复杂杂空气分分离类成成套装备备超大型型化与低低能耗化化中的关关键科学学问题，揭揭示低能能耗驱动动大尺度度混合流流复杂界界面形成成规律，构构建超大大型化复复杂空气气分离类类成套装装备的多场耦耦合与多变量量关联设设计理论论，探明明高可靠靠性复杂杂空气分分离类成成套装备备关键机机组关键键

2、部机长寿寿命与稳稳定运行行机理。在在全过程程大尺度度混合流流界面的的能量迁迁移分析析、多工工况多参参数多场场耦合设设计、多多机组多多部机寿寿命均衡衡设计与与保质制制造等方方面取得得源头创创新成果果，使我我国复杂杂空气分分离类成成套装备备超大型型化与低低能耗化化研究达达到世界界先进水水平。同同时，为为国家培培养一批批从事复复杂空气气分离类类成套装装备研究究、设计计与制造的的青年学学术带头头人和研研究骨干干。2 五年预预期目标标1）在理论论研究方方面：通过本项目目研究，为为8122万等级级复杂空空气分离离类成套套装备设设计制造造的关键键技术创创新提供供理论与与方法支支撑：掌握临界和和超临界界状态空

3、空气物性性参数，揭揭示空分分成套装装备内部部多相流流体的非非定常流流动演化化机理，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；揭示压缩机机、膨胀胀机等高高速透平平转子系系统在多多场耦合合作用下下的非线线性振动动特性与与系统故故障特征征的映射射关系，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。掌握超大型型空分成成套装备备多机组组参数跨跨学科关关联机理理，揭示示机组界界面参数数的相互互作用及及其传递递规律，为为空分成成套装备备多性能能关联设设计与工工艺关联联设计提提供理论论基础；揭示复杂工工况下超超大型空空分成套套装备关

4、关键机组组高可靠靠性长寿寿命机理理；揭示示关键零零部件多多尺度高高精度保保质制造造机理，阐阐明零部部件质量量特性与与机组、成成套装备备性能的的映射规规律，为为超大型型空分成成套装备备稳定可可靠运行行提供理理论与方方法基础础。2）在工程程应用技技术方面面:在若干关键键技术上上取得创创新和突突破，使使我国超超大型、低低能耗空空气分离离类成套套装备研研发水平平跻身于于世界前前列，通通过成果果转化提提高超大大型、低低能耗空空气分离离类成套套装备的的自主设设计与制制造能力力。实现8112万等级复杂杂空气分分离类成成套装备备自主设设计，氧氧气纯度度99.6% 以上，适适应155%变负负荷运行行，外压压缩流

5、程程单位氧氧产量电电耗0.3655-0.38kkWh。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。建立空分成成套装备备关键机组组不同结结构的流流场分布布模型；突破多多轴齿式式循环增增压机、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；实现高可靠靠性的空空气分离离类成套套装备关关键零部部件多尺尺度高精精度保质质加工与与质量控控制技术术；创建建空分成成套装备备核心零零部件多多源多工工序质量量诊断、控控制与补补偿方法法体系。构建超大

6、型型空分成成套装备备关键机组组性能实实验台，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。在国内外重重要刊物物上发表表论文3300篇篇以上，其中SSCI/EI收收录2000篇以以上；申申请发明明专利220330项；形成一一支具有有国际影影响的从从事空气气分离装装备理论论与技术术研究的的队伍，培培养一批批优秀中中青年人人才，包包括站在在国际前前沿的学学术带头头人12人，博博士后、博博士和硕硕士生1150人人。三、研究方方案1、学术思思路本项目的学学术思想想是针对对复杂空空气分离离类成套套装备超超大型化化、低能能耗化的的核心技技术，围围绕三个个关键科科学问题题，开展展六

7、个方方面的研研究工作作，在全全过程大大尺度混混合流界面的的能量迁迁移分析析、多工工况多学学科多参参数耦合合设计、多多机组寿寿命均衡衡设计与与保质制制造等方方面取得得源头创创新成果果。工作作思路如如图1所所示。设计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

8、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、技术途途径本项目的技技术途径径是结合合制造科科学的研研究前沿沿和复杂杂空气分分离类成成套装备备的发展展趋势，从从超大型型空分成成套装备备设计制制造的关关键技术术中凝炼炼科学问问题，采采取理论论研究、规规律探索索与实验验验证相相结合、前前沿技术术研究与与工程应应用示范范相结合合的方式式，集中

9、中和融合合高等学学校和装装备制造造企业各各自的优优势，开开展复杂杂空分成成套装备备超大型型化与低低能耗化化设计制制造的关关键科学学理论和和核心设设计制造造技术研研究，并并将研究究成果用用于指导导工程实实践。3、特色与与创新1）项目特特色多学科综合合交叉：复杂空空气分离离类成套套装备超超大型化化、低能能耗化与与高可靠靠性设计计制造的的关键科科学问题题涉及学学科广泛泛，必须须用多学学科交叉叉的研究究模式加加以解决决。通过过低温、力力学、化化工学科科的交叉叉，解决决低能耗耗驱动的的大尺度度混合流流复杂界面面渐变形形成规律律与能量量迁移机机理；通通过机械械设计、信信息学科科的交叉叉，解决决超大型型化空

10、分分成套装装备非线线性动力力学耦合合与多工况况多学科科多参数数关联设设计问题题；通过过机械制制造、低低温、力力学学科科的交叉叉，解决决复杂空空气分离离类成套套装备运运行稳定定、关键键零部件件寿命均均衡及关关键机组组保质制制造问题题。原始创新与与集成创创新相结结合：在在深低温温混合流流多相传传热传质质理论、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。基础研究与与装备应应用相结结合：从

11、从复杂空空气分离离类装备备超大型型化与低低能耗化化自主设设计制造造中提炼炼科学问问题，解解决超大大型、低低能耗复复杂空分分成套装装备在机机理、设设计、制制造与运运行中的的关键技技术问题题，在国国内空分分装备制制造的龙龙头企业业杭州杭杭氧股份份有限公公司的产产品开发发中实现应应用验证证，保证证了基础础研究有有明确的的载体。2）项目创创新采用深低低温多相相传热传传质理论论和多相相流动交交互作用用理论研研究超大大型、低低能耗空空分装备备空分过过程能量量流动规规律，建建立以HHelmmholltz自自由能为为状态参参数基准准，以格格鲁尼森森数为准准则的仿仿生进化化热力学学优化方方法，以以重正化化群理论

12、论约束临临界区热热物理奇奇异性为为基础的的深低温温空分混混合流体体状态方方程与新新型混合合法则。采用全三元元可控涡涡理论及及非定常常流固耦耦合理论论，研究究大型离心心压缩机机内能量量迁移规规律，揭揭示叶轮轮内流体体状态控控制与叶叶片光滑滑可加工工性之间间的关联联特性,提出低低能耗大大压比高高可靠性性空压机机设计制制造新方方法，突突破国外外在先进进空压机机技术方方面的封封锁。提出基于于数值与与几何相相结合的的空分成成套装备备多机组关联联、多层层次分析析和多参参数设计计技术，揭揭示机组组界面多多变量多多参数的的关联机机理以及及机组界界面多变变量传递递规律，解决跨机机组的机机电/汽汽液/流流固/热固

13、多多场耦合与与多学科科关联的的16000多个个主要设设计变量量、1220000多个设设计参数数的计算算与分析析难题。以质量-性能均均衡设计计原理为为基础，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、可行性性分析复杂空气分分离类成成套装备备是大型型钢铁工工程、大大型乙烯烯工程、大大型合成成氨工程程、大型型甲醇工工程、大大型火电电工程等等国家重重大工程程必需的的重大技技术装备备。特别别是近年年来，大大型冶炼炼、大型型石化、大大型

14、火电电等重要要行业的的集约化化发展，对对空分装装备提出出了超大大型化、低低能耗化化与高可可靠性的的需求，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

15、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

16、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

17、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。项目参与单单位浙江江大学、西西安交通通大学、东东北大学学、上海海交通大大学、华华中科技技大学、大大连理工工大学、中中国计量量学院和和杭州杭杭氧股份份有限公公司建立立了良好好的合作作关系，在在机械工工程、低低温、力力学、化化工、信信息等相相关学科科具有雄雄厚的科科研基础础和实力力。各单单位已相相继开展展了大型型空分装装备系统统与相关关单元技技术的研研究与开开发工作作，具有有较高的的研究工工作起点点。项目目

18、参与单单位建有有国家重重点实验验室6个、国国家工程程研究中中心1个个与国家家重要装装备制造造基地11个，支支撑条件件好。研研究队伍伍由2名名院士、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、课题设设置围绕3个关关键科学学问题，将将项目研研究内容容分为彼彼此密切切衔接的的6个课题题。科学问题一一从流程程、工艺艺与能量迁迁移等基基础理论论方面探探索复杂杂空气分分离类成成套装备备的低能耗耗化问题题，该部部分内容容设置课课题1，主主要研究究低温混混合工质质热物理理性质和和深低温温多相传传热、传传质与流流动规律律，揭示示旋转流流道

19、内跨跨音速相相变瞬态态界面的的形成过过程，揭揭示空分分成套装装备及其其关键机机组内部部汽液流动动过程能能量转换换机理。科学问题二二从非线线性动力力学耦合合、多机组组多参数数关联等等方面探探索空分分成套装装备多变变量多学学科场分分离与场场耦合机机理，该该部分内内容设置置课题22和课题题3，主要要研究大大型装备备中多因因素非线线性界面面环境的的动力学学耦合作作用与多机组组多学科科多参数数的跨尺尺度关联联机理，解解决超大大型空分分成套装装备多场场耦合与与多参数数关联设设计问题题。科学问题三三从关键键机组失效效机理、均均衡寿命命、保质质制造等等方面探探索复杂杂空气分分离类成成套装备备的高可靠性性与稳定

20、定性问题题，该部部分内容容设置课课题4-课题6，主要要研究复复杂空气气分离类类成套装装备关键键机组可可靠性与与寿命预预测机理理，成套装装备多机组寿寿命均衡衡设计理理论，以以及大流流量高速速转子、高高强度特特长特宽宽高压板板翅换热热器、超超薄叶轮轮叶片等等的制造造难题，构建超大大型空分分成套装装备系统统性能集集成仿真真与关键键机组实实验平台台，验证证理论与与方法的的正确性性和有效效性。课题1：大大尺度混混合流与与非定常常流动界界面形成成规律研究目标：以低温混合合工质热热物性精精确预测测为基础础，重构构具有高高热力学学完善度度和基于于亥姆霍霍兹能统统一形式式的基本本型状态态方程，建建立新型型流体混

21、混合法则则，解决决空分低低温流体体多元多多相混合合物性计计算和相相平衡界界定问题题。研究究高速旋旋转流道道内低温温工质跨跨音速相相变瞬态态界面的的形成过过程，获取空空分成套套装备及及其配套套机组内部部气体流流动过程程能量转转换机理理，掌握握尺度效效应、三三元流动动和实际际气体特特性对高高速透平平空压机机、增压压机及透透平膨胀胀机能耗耗的影响响规律，为大流量量、高压压比空分分成套装装备的能能耗指标标达到国国际先进进水平提提供理论论依据。研究内容：1）多物性性低温流流体混合合法则与与基本型型状态方方程重构构研究深低温温流体高高精度、宽范围围热物理理性质，包包括空分分物料和和产品中中氧、氮、氩三种主

22、主要成分分与稀有气气体等微微量成分分的纯质及及多组分分混合流流体的热热物理性性质。重重构具有有高热力力学完善善度和基基于亥姆姆霍兹能能统一形形式的基基本型状状态方程程。建立立新型流流体混合合法则，解解决空分分低温流流体多元元多相混混合物性性计算和和相平衡衡界定问问题，应应用重正正化群理理论解决决临界区区热物性性计算精精度难题，完善善各组分分超临界界与亚临临界区的的热物性性理论和和基础数数据群。2）跨临界界瞬态界界面形成成机理基于不可逆逆过程热热力学和和非平衡衡热力学学理论，以以汽/液界面面为主要要研究对对象，研研究界面面的结构构、性能能与转换换机理和和介观结结构体系系，探索索非平衡衡界面的的形

23、成机机理，并并注重跨跨临界区区膨胀起起始状态态点和非非稳态过过程与界界面生成成的关联联，特别别是多组组分低温温工质高高速非稳稳态汽液液相变与与瞬态转转化的动动态规律律。揭示示全液体体膨胀机机与低温温液体泵泵中液相相连续、气气相离散散的典型型两相流流型特性性、汽蚀蚀过程气气-液-固界面面特性和和相互作作用机理理及其对对机组性能能的影响响。3）大流量量吸附解解吸过程程传质特特性与流流场均布布机理研究多层径径向分子子筛填充充床的结结构参数数对吸附附效果的的影响及及其机理理，结合合分子筛筛床层结结构特点点探明二二氧化碳碳等气体体成分超标标机理。建建立典型型工况下下的分子子筛活化化能耗模模型，揭揭示其吸

24、吸附动力力学与填填充床设设计制造造的映射射关系，阐阐明分子子筛加温温再生受受阻的原原因并建建立相应应预防与与控制机机制。建建立卧式式和立式式径向流流分子筛筛中的气气流均布布和床层层流程分分析理论论，获得得高效吸吸附剂及及其填充充孔径和和装填方方法，构构建大型型分子筛筛工作效效能、活活性再生生的基础础理论。4）高压流流体大温温区非定定常传热热强化方方法内部非定常常流场及及温度分分布不均均、纵向向传热是是板翅式式换热器器性能下下降的主主要因素素。研究究换热器器内部高高压流体体两相流流动、传传热特性性及其强强化机理理，优化化翅片、流流道及换换热器入入口几何何结构，改改进导流流性能，获获得换热热器内部

25、部两相流流体均匀匀分配方方法，实实现高效效换热强强化。建建立板翅翅式换热热器精确确换热性性能预测测理论及及方法。提提高板翅翅式换热热器承压压能力，突突破设计计制造上上的高压压限制瓶瓶颈。5）高速旋旋转流道道内跨音音速流动动机理与与能耗主主动控制制研究高速透透平机械械中尺度度效应、三三元流动动、喘振振和叶型选选择对机机组能耗耗的影响响机制，实实现大型型低温透透平膨胀胀机及增增压机稳稳态与非非稳态能能耗预测测，包括括：叶尖尖间隙流流动与叶叶道主流流的相互互作用机机制以及及流道形形状效应应和表面面粗糙度度对气动动性能的的影响，特特定紧凑凑空间透透平机械械通流部部分跨音音速条件件下叶轮轮与喷嘴嘴/扩压

26、压器的非非定常相相互作用用，喘振的的机理及及其控制制。揭示示高速旋旋转流道道内工质质跨音速速流动机机理，建建立耦合合气体动动力学性性能评估估模型。基于全全三元可可控涡理理论和能能量层级级控制理理论，提提出具有有能耗主主动控制制的多轴轴多转速速多叶轮轮设计理理论和方方法。经费比例：17%承担单位：浙江大大学、中中国计量量学院课题2：大大型装备备中动力力学非线线性耦合合机理研究目标：针对复杂空空气分离离类成套套装备中中连续、离离散混合合的非线线性、强强耦合动动力学问问题，研研究连续续离散混混合系统统统一表表征理论论及方法法；揭示示大型装装备中多多因素非非线性界界面环境境的动力力学耦合合作用机机理；

27、建建立多场场耦合环环境下空空分设备备中转子子系统的的非线性性动力学学模型，确确定转子子系统在在非对称称、非稳稳定外场场作用下下的非线线性振动动特性；提出转转子系统统非线性性振动主主/被动动控制方方法；实现基于于多领域域物理统统一表达达方法的的复杂动动力学系系统解耦耦机制及及求解方方法。研究内容：1）多领域域连续离离散动力力学系统统的统一一表征原原理结合预冷、净化、冷却、精馏等工艺流流程，研研究空分分成套装装备及其其多机组组系统多多领域耦耦合作用用特性，认识空分分成套装装备状态态过程非非线性、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

28、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）非线性性界面环环境下转转子系统统的非线线性动力力学规律律研究非线性性压力边边界以及及耦联载载荷对透透平压缩缩机、透透平膨胀胀机转子子系统的的非线性性作用和和转子系系统的非非线性动动力学耦耦合作用用规律。研究流场场、温度度场、耦耦联载荷荷作用下下多非线线性界面面耦合环环境中转子系系统的动动力学特特性，研研究非对对称、非非稳定外外场作用用下转子子系统非非线性振振动特性性，研究究由转子子横截面面温度不不对称及及温度场场不稳定定引起的的转子系系统非线线性振动动特征。3）旋转机机

29、械转子子系统故故障非线线性振动动特性与与抑制研究多场耦耦合作用用下转子子系统在在升、降降速通过过一、二二阶临界界转速过过程和在在二阶临临界转速速以上运运行时转转子系统统多种单单一故障障及耦合合故障引引起的非非线性响响应特性性，分析析诸如转转轴弯曲曲、基础础松动、裂裂纹、碰碰摩及其其耦合故故障发生生的机理理和演化化规律。研研究抑制制转子系系统非线线性振动动的结构构参数和和载荷参参数优化化，利用用已有的的电/磁磁流变阻阻尼器技技术、挤挤压油膜膜阻尼器器技术和和可变支支承刚度度技术研研究转子子系统非非线性振振动的主主/被动动控制方方法。4）跨机组组时变非线线性动力力学耦合合系统的解解耦机制制针对空分

30、成成套装备备多输入入、多输输出及时时变非线线性特征征，研究究空分成成套装备备及其多多机组系统统多场耦合合作用的的内联要要素及约约束机制制，分析析时变非非线性、连连续离散散混合系系统状态态方程的的数理特特性；研研究刚性性微分方方程解析析机制，提提出大规规模非线线性微分分代数方方程的自自适应归归约及解解耦策略略，建立立复杂多多领域连连续离散散混合微微分代数数系统的的分治解解算方法法。经费比例：17%承担单位：上海交交通大学学、华中中科技大大学课题3：复复杂工况况多机组组多变量量关联设设计理论论研究目标：针对超大型型化设计计中需要要解决不不同机组组间存在在的机/电/液液/控/低温多多学科关关联的16

31、000多个个主要设设计变量量、1220000多个设设计参数数的设计计与分析析问题，研研究多机机组多学学科多参参数关联联机理，揭揭示机组组界面参参数的相相互作用用及其传传递规律律，形成成空分成成套装备备多性能能关联设设计与工工艺流程程关联设设计方法法，实现现空分成成套装备备关键机组组参数的的优化匹匹配及空空分成套套装备工工艺流程程的仿真真优化，为提高高空分成成套装备备设计质质量与效效率提供供理论和和技术基基础。主主要研究究内容包包括：研究内容：1）机组界界面多变变量多参参数的跨跨学科异异域关联联机理针对空分成成套装备备中压缩缩、膨胀胀、换热热、精馏馏等关键键机组界界面，研研究跨学学科、约约束不完

32、完整、设设计空间间不连续续等条件件下各机机组变量量关联作作用机制制，建立立数值与与几何相相结合的的复杂成成套装备备多机组组、多层层次和多多参数关关联分析析技术，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）变工况况过渡状状态混合合维模型型与多变变量传递递规律针对变工况况条件下下普遍存存在的过过渡状态态、模糊糊状态等等既不能能用规则则的整数数维描述述，也不不能纯粹粹用分数数维描述述这类特特殊状态态建

33、模与与分析，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）空分成成套装备备多变量量多性能能关联设设计方法法构建多技术术参数性性能的综综合条件件区域，建建立影响响成套装装备整体体性能的的多参数数复杂关关联关系系；研究究多变量关联联的性能能反演分分析模型型，建立立空分成成套装备备关键性性能指标标与多设设计参数数的映射射规律；研究空空分流程程与参数数变动对对机组性性能的影影响与反反馈，建建立空分分内外压压缩流程程的跨机机组性能

34、能评价方方法。4）空分成成套装备备多变量量工艺流流程关联联设计方方法建立空气净净化、压压缩、预预冷、纯纯化、膨膨胀、换换热和精精馏等系系统设计计参数与与工艺流流程的关关联，研研究原料料空气压压缩机、分分子筛吸吸附器、增增压膨胀胀机、板板翅式换换热器和和精馏塔塔等机组组与部机机的参数数变动对对关联机机组工艺艺流程的的影响。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：浙江大大学、杭杭州杭氧氧股份有有限公司司课题4：多多机组同同步稳定定与寿命命均衡设设计原理理研究目标：针对空分成成

35、套装备备多机组寿命命均衡设设计要求求，通过过理论分分析与试试验, 阐明压缩缩机、膨膨胀机和和动力装装置等多多机组运行行过程中中的失稳稳机理，揭揭示关键键机组在复复杂振动动载荷作作用下设设备运行行的稳定定性准则则和疲劳劳失效规规律, 以及与与可靠性性的相互互关联与与作用机机制，建建立成套套装备中中最短寿寿命机组组寿命预预测理论论，实现现空分成成套装备备多机组零部部件寿命命均衡设设计。研究内容：关键机组寿寿命设计计、运行行稳定性性与失稳稳预防理理论研究复杂工工况下空空分成套套装备回回转设备备轴承润润滑、密密封气流流激振、叶叶片与叶叶轮及定定子间含含微间隙隙对故障障发生和和演化的的影响规律律及其对对

36、空分成成套装备备失效行行为的作作用规律律，探索索复杂环环境下大大型空分分成套装装备的失失效发生生机理与与规律，建建立大型型空分成成套装备备寿命预预测理论论。结合合空分成成套装备备多场耦耦合和复复杂工况况的特点点，对系系统及其其关键零零部件进进行振动动、疲劳劳强度、运运行稳定定性、动动态可靠靠性等方方面的设设计，以以使机组组在满足足基本功功能的条条件下获获得优良良的结构构性能、使使用性能能和制造造性能。2) 关键键机组的疲疲劳失效效机理及及多机组组寿命预预测与排排序研究基于寿寿命序列列的关键键机组零零部件质质量性能能均衡设设计，包包括多机机组系统统中最短短寿命零零部件的的功能替替代设计计原理、性

37、性能强化化原理、寿寿命补偿偿设计原原理以及及长寿命命零部件件的质量量-性能能指标弱弱化设计计方法。揭揭示低温温高压等等极端环环境下空空分成套套装备关关键机组组性能-寿命的的演化规规律，研研究离散散随机损损伤累积积与连续续损伤累累积作用用下成套套装备服服役性能能退化定定量评估估与预测测方法，分分析易损损件性能能在服役役时间坐坐标下的的演变过过程，对对多机组组寿命进进行预测测与排序序。3) 机组组动态可可靠性设设计原理理与并联联作用机机制研究不同结结构形式式的机组组在不同同的载荷荷分布特特征下，设设计安全全系数与与可靠度度之间的的关系，提提出基于于可靠度度的“概率设设计安全全系数”计算方方法与模模

38、型；进进行典型型试件的的寿命分分布与可可靠性试试验；根据零零部件结结构、材材料与载载荷的分分布特性性、加工工制造精精度等计计算满足足规定可可靠度指指标的设设计安全全系数（概概率安全全系数）的的模型，实实现复杂杂空气分分离类成成套装备备系统动动态可靠靠性设计计与并联联作用机机制。4)多变工工况下成套装装备运行行稳定性性预测及及优化结合空分成成套装备备系统多多机组各种种耦合方方式及工工艺特点点，研究究变工况况变负荷荷条件下下影响空空分成套套装备系系统运行行稳定性性的主要要因素，探明环环境等不不确定性性扰动对对系统运运行稳定定性的影影响关系系，揭示示空分成成套装备备失稳形形成机理理，建立立关键机组组

39、参数与与设备运运行稳定定性的量量化关系系，提出出空分成成套装备备变工况况运行稳稳定性预预测模型型及系统统状态失失稳调控控策略，建建立空分分成套装装备整机机运行稳稳定性定定量评价价体系。经费比例：18%承担单位：东北大大学、大大连理工工大学课题5：关关键部机机高强度度大构件件保质制制造技术术研究目标：针对超大型型化空分分成套装装备中大大型压缩缩机、板板翅式换换热器等等制造中中的难点点问题，研研究大流流量多轴轴耦合高高速转子子加工动动态变形形机理，提提出高强强度特长长特宽高高压板翅翅换热器器的保质质制造方方法，实实现大型型压缩机机中超薄薄叶轮叶叶片和刀刀具耦合合动力学学分析，揭示成套装备关键零部件

40、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) 大流流量多轴轴耦合高高速转子子加工动动态变形形机理转子是空分分成套装装备中压缩机机、膨胀胀机等设设备的关键零零件,转转子加工工过程中中的振动动、变形形是影响响加工质质量的关关键因素素，且难难以控制制。研究究齿式传传动多转转子加工工中定位位转换工工艺的依依据及多多轴平行行对偶机机制，研研究制造造加工偏偏差所造造成的转转子奇异异性和全全局分叉叉。研究究转子组组件加工工过程中中影响精精度的多多物理场场复合作作用规律律及其对对构件的的综合激激励特性性，揭示示轴系零零件

41、与刀刀具、机机床耦联联非光滑滑非线性性动力系系统的多多尺度振振动响应应及动态态变形产产生机理理，建立立多物理理场复合合作用下下的复杂杂轴系零零件加工工振动、变变形的多多尺度预预测模型型，提出出大型轴轴系零件件加工振振动与变变形抑制制、校正正策略。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) 高强强度特长长特宽高高压板翅翅换热器器的保质质制造方方法高强度、低低能耗的的大型高高压板翅翅式换热热器制造造一直是是困扰我我国空分分成套装装备大型型化的一一个难题题。研究究高压板板翅式换换热器翅翅片材料料、翅片片几何特特性、翅翅片

42、装配配间隙、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） 超薄薄叶轮叶叶片和刀刀具耦合合动力学学及其对对能耗的的影响规律律建立制造加加工中超超薄叶轮轮叶片结结构和加加工刀具具耦合动动力学模模型，研研究刀具具和工件件的强迫迫振动、自自激振动动及参数数振动的的机理，建建立叶片片结构加加工的优优化轨迹迹模型，实实现加工工效率、薄薄叶轮叶叶片的加加工形状状、表面面精度控控制的最最佳均衡衡；研究究超薄叶叶轮叶片

43、片加工中中刀具颤颤振等因因素造成成叶片形形状偏离离设计点点对叶轮轮能耗的的影响规规律及对对叶轮叶叶片静、动动应力和和服役寿寿命的影影响。4) 复杂杂零件多多工序加加工精度度形成规规律及在在位检测测理论超大型空分分成套装装备中的的复杂零零件具有有尺寸大大、精度度高、加加工工序序多与安安装复杂杂等特性性，且在位检检测理论论、方法法的滞后后与匮乏乏，使得得对零件件加工精精度的控控制十分分困难。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

44、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：西安交通通大学、浙浙江大学学课题6：超超大型空空分装备备性能实实验、仿仿真与集集成研究目标：针对空分成成套装备备及关键键机组在设计制造造运行中存存在的性性能评价价和可靠靠性预测测问题，通通过建立立仿真数数字样机机，模拟拟空分成成套装备备整机性性能，实现整整机性能能优化与与评估；通过构构建关键键机组性能能实验台台，研究究大流量量条件下下规整填填料塔内内部混合合物压力力、温度度、流量

45、量等重要要参数的的动态分分布，揭示高高传热系系数小传传热温差差的翅片片传热强强化与大大流量低低温两相相流均布布机理，开开展耦合合故障作作用下空分成成套装备备转子系系统的非非线性振振动特性性实验研研究，通过超超大型空空分成套套装备系系统状态态监测及及故障诊诊断实验验，为空空分成套套装备状状态监测测、故障障诊断与与稳定运运行提供供实验依依据。研究内容：1）超大型型空分装装备数字字样机性性能集成成仿真建立机械、低低温、电电子、液液压、控制等等多领域域耦合的的空分装装备关键键机组数数字样机机仿真模模型，实实现空分分成套装装备系统统级动态态模型组组装，对对装备的的设计、制制造、集集成、作作业及维维修全生

46、生命周期期过程进进行分析析与模拟拟，揭示示装备静静动态特特性及其其作业过过程中的的物理状状态演化化规律，模模拟空分分成套装装备整机机性能，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）大型深深低温规规整填料料塔热质质交换性性能综合合实验针对大型化化低温精精馏系统统全工况况低能耗耗、高可可靠性的的要求，搭搭建低温温规整填填料热质质交换与与流动特特性综合合测试平平台，揭示大大流量条条件下规规整填料料塔内部部混合物物压力、温温度、流流量等重重要参数数的动态态分布，建建立集成成填料压压降、换换质及溢溢流特性性的综合合试验方方法，

47、为为低温精精馏塔性性能评估估与优化化提供实实验依据据。3）大型板板翅式换换热器传传热与流流动综合合实验建立满足由由高强度度、高密密度翅片片组成的的板翅式式换热器器单元芯芯体及均均布结构构件综合合性能实实验平台台，借助助粒子图图像测速速仪（PPIV）等等先进测测量手段段，开展展换热器器均布结结构和强强化传热热结构的的流场可可视化研研究，系系统揭示示高传热热系数小小传热温温差的翅翅片传热热强化与与大流量量低温两两相流均均布机理理，检验验新型换换热器制制造方法法的可行行性，为为确定最最优化传传热结构构和流体体均布结结构奠定定基础。4）大型转转子故障障模拟和和非线性性振动及及控制实实验设计和研制制用于

48、透透平机、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）超大型型空分装装备系统统状态监监测及故故障诊断断实验空分成套装装备在线线状态监监测与故故障诊断断是其安安全运行行的必要要保障。建建立温度度、压力力、流量量、振动动位移、轴轴心轨迹迹、电流流、转速速、噪声声等有

49、效效状态监监测参数数采集与分分析实验验台，分分析时域域、频域域、趋势势等各种种信号的的特征，提提出空分分装备数数据挖掘掘算法和和性能诊诊断方法法，为空空分装备备状态监监测、故故障诊断断与稳定定运行提提供实验验依据。经费比例：16%承担单位：浙江大大学、杭杭州杭氧氧股份有有限公司司四、年度计计划研究内容预期目标第一年1）开展空空分流体体组分纯纯质和两两元或多多元混合合物相关关的全面面的文献献调研；2）搭建PPVT、比比热容、声声速和热热导率热热物性测测试实验验台；3）立式多多层径向向分子筛筛吸附器器的结构构研究；4）封头内内部流场场的分布布规律研研究；5）规整填填料内低低温流体体压降特特性CFF

50、D研究究；6）研究气气液相变变过程中中亚稳态态体相内内部活化化分子的的聚集状状态，探探讨在无无外界扰扰动的平平衡状态态下，体体相内部部活化分分子的存存在方式式以及单单体与聚聚集体的的浓度关关系；7）描述气气液相变变的物理理图景，利利用体相相在过热热(过冷冷)极限限点处的的宏观性性质来逆逆推体相相与微小小新相之之间的界界面张力力；8）空分系系统多领领域物理理耦合特特性研究究；9）研究非非线性压压力边界界以及耦耦联载荷荷的非线线性动力力学耦合合作用规规律；10) 超超大型空空分成套套装备中中压缩、膨膨胀、换换热、精精馏等关关键机组组中机/电/液液/控/低温多多学科耦耦合关系系及多变变量描述述方法；

51、11) 超超大型空空分成套套装备多多机组变变量敏感感性分析析、多变变量耦合合的量纲纲处理方方法；12) 超超大型空空分成套套装备多多学科多多变量设设计平台台详细设设计；13）大型型空分成成套装备备回转设设备的动动力学分分析模型型建立；14）大型型空分成成套装备备有关因因素对失失稳故障障发生和和演化的的影响规规律及其其对空分分成套装装备失稳稳失效行行为的作作用规律律理论分分析；15）关键键机组另另部件性性能基础础实验；16) 考考虑加工工偏差等等影响因因素，建建立齿式式转子动动力学实实验台，研研究加工工偏差对对多转子子系统动动力学行行为的影影响；17)通过过透平膨膨胀机热热力性能能、气动动性能和

52、和可靠性性评价，获获得高速速透平膨膨胀机结结构方案案及参数数；18)大型型尺寸的的高传热热系数、小小传热温温差的翅翅片通道道结构设设计与试试验;19) 研研究制造造加工中中超薄叶叶轮叶片片结构和和加工刀刀具耦合合动力学学，开展展试验研研究；20) 研研究多工工序误差差传递机机理，及及复杂零零件加工工精度的的形成、传传递规律律；21）超大大型空分分装备设设计、制制造、集集成、作作业及维维修全生生命周期期过程分分析与模模拟；22）超大大型空分分装备静静动态特特性及其其作业过过程中的的物理状状态演化化规律；23）超大大型空分分装备数数字样机机性能的的动态仿仿真与评评估。1）获得包包括空分分物料和和产

53、品中中氧、氮氮、氩三三种主要要成分与与稀有气气体等微微量成分分的纯质质及多组组分混合合流体的的已存在在的各类类热物性性实验数数据及关关联式或或状态方方程；2）建成220K-3000K温区区，压力力至500MPaa的相应应物性测测量实验验台；3）推导出出临界聚聚集浓度度的表达达式。确确定体相相处于过过热(过过冷)极极限点时时的内部部分子能能量分布布特性；4）对经典典理论的的形核率率作出修修正；5）揭示空空分系统统及关键键部机机机电、电电液、流流固及热热固耦合合的作用用机理及及演化规规律；6）揭示非非线性界界面环境境对透平平压缩机机、透平平膨胀机机转子系系统的非非线性作作用和耦耦合作用用机理；7）

54、 建立立超大型型空分成成套装备备多机组组、多学学科、多多变量的的关联表表达模型型；8）获取超超大型空空分成套套装备不不同机组组不同学学科的关关键设计计变量的的关联形式式与关联联强弱；9）获得大大型空分分成套装装备的非非线性特特性、系统故故障特征征10）大型型空分成成套装备备的失稳稳失效发发生机理理；11）获得得关键机机组另部部件的部部分基础础性能数数据；12）给出出对流换换热以及及热边界界层增厚厚对凝结结换热的的影响；13)考虑虑加工偏偏差影响响的多转转子系统统动力学学模型； 14)应用用高强度度高密度度翅片通通道内气气、液两两相流的的传热强强化新机机理、新新结构，使使其传热热温差小小于0.6

55、00.7KK, 重重量减少少1/33，能耗耗减少115以以上；15) 建建立超薄薄叶轮叶叶片结构构和加工工刀具耦耦合动力力学模型型；16) 阐阐明多工工序误差差在状态态空间上上的传递递机制，揭揭示复杂杂零件加加工精度度的形成成、传递递规律；17）建立立机械、低低温、电电子、液液压、控控制等多多领域耦耦合的超超大型空空分装备备关键机机组数字字样机仿仿真模型型；18）为空空分成套套装备超超大型化化设计的的性能分分析提供供程序化化、可视视化的设设计分析析平台；19）发表表论文660篇以以上，其其中SCCI/EEI收录录40篇以以上，申申请发明明专利44-6项；20）培养养博士后后、博士士和硕士士生3

56、00名。第二年1）针对文文献调研研显示数数据空白白区域进进行实验验测量；2）利用重重正化群群理论研研究空分分流体临临界区特特性，完完善各组组分超临临界与亚亚临界区区的热物物性理论论；3）基于热热力学从从状态信信息和量量热信息息两个方方面同时时出发，结结合重正正化群理理论框架架，重构构具有高高热力学学完善度度和基于于亥姆霍霍兹能统统一形式式的基本本型状态态方程；4）立式多多层径向向分子筛筛吸附器器的再生生活化能能耗分析析；5）封头结结构内流流场的可可视化实实验研究究；6）规整填填料内低低温流体体两相流流动及传传质特性性CFDD研究；7）用VOOF方法法追踪自自由界面面,处理理汽液交交界面上上的相

57、变变导致的的不连续续速度场场。数值值模拟水水平壁面面上的膜膜态沸腾腾和竖直直圆头柱柱体表面面的自然然对流膜膜态沸腾腾；8）实验研研究竖直直矩形窄窄缝流道道内过冷冷沸腾的的汽泡凝凝结过程程；9）研究空空分成套套装备系系统系统统动力学学模型的的多领域域物理建建模原理理；10）研究究非线性性界面耦耦合环境境中转子系系统的动动力学特特性，研研究由转转子横截截面温度度不对称称及温度度场不稳稳定引起起的转子子系统非非线性振振动特征征；11) 超超大型空空分成套套装备多多机组、多多层次和和多参数数关联分分析；12) 变变工况条条件下超超大型空空分成套套装备过过渡状态态、模糊糊状态建建模；13) 基基于设计计

58、历史与与过程的的超大型型空分成成套装备备多机组组设计变变量传递递；14）复杂杂环境下下大型空空分成套套装备的的失稳失失效发生生机理与与规律分分析，关关键机组组参数与与设备运运行稳定定性的量量化关系系研究；15）关键键机组另另部件性性能基础础实验；16）加速速寿命试试验的理理论模型型建立；17）关键键零部件件的质量量-性能能指标弱弱化规律律研究；18)开展展加工偏偏差对齿齿式转子子动力学学系统动动力学影影响的试试验研究究，研究究转子组组件加工工过程中中影响精精度的多多物理场场复合作作用规律律及其对对构件的的综合激激励特性性；19)对各各种均布布结构分分期进行行小件试试验及工工业性结结构试验验，进

59、行行传热试试验；20)研究究刀具和和工件的的强迫振振动、自自激振动动及参数数振动，继继续开展展试验研研究；21) 研研究分析析工艺对对加工精精度的影影响规律律，研究究复杂零零件多工工序加工工精度的的预测模模型；22）大型型化低温温精馏系系统填料料结构优优化设计计数学模模型及有有效减小小流体不不均匀性性的结构构及方法法；23）大流流量条件件下规整整填料塔塔内部混混合物压压力、温温度、流流量等重重要参数数的动态态分布；24）大型型化低温温精馏系系统集成成填料压压降、换换质及溢溢流特性性的综合合试验方方法。1）获得空空白区域域的关键键性PVVT、比比热容、声声速和热热导率热热物性实实验数据据，结合合

60、文献调调研数据据形成完完整的参参考物性性数据库库；2）解决临临界区低低温流体体热物性性计算不不确定度度问题；3）获得结结合多方方完整信信息的新新型空分分流体状状态方程程框架，以以参考数数据为基基础，获获得各组组分纯质质气体专专用的高高精度、宽宽范围基基本型状状态方程程；4）给出水水平壁面面上的膜膜态沸腾腾和竖直直圆头柱柱体表面面的自然然对流膜膜态沸腾腾的规律律；5）给出对对流换热热以及热热边界层层增厚对对凝结换换热的影影响；6）掌握复复杂非线线性界面面环境下下转子系系统的非非线性动动力学规规律，包包括转子子系统的的稳定性性和失稳稳模式以以及其对对系统参参数的敏敏感性；7）提出空空分系统统可重用