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工程热物理学科热力系统动态学十二五发展规划
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工程热物理学科热力系统动态学十二五发展规划
1 热力系统动态学的背景与应用前景
热力系统动态学是工程热力学的重要组成部分，其研究范畴既涉及宏观层面的能源动力装置及系统的动态学和控制，也涉及流动、燃烧、传热等热物理过程的动态学和控制。热力系统动态学主要研究热力系统在各个时空尺度下的流动、燃烧、传热、能量转换的动力学特性及其动态模型，研究热物理过程的演化规律以及稳定性（包括分岔、突变和混沌等），研究流动、燃烧、传热等微观、介观、宏观过程的控制、优化和状态监测方法，实现热力系统安全、高效、环保地为人类服务的目的。
2 国内外研究现状与发展趋势
随着各种大型复杂能源动力系统的发展（如循环流化床、超超临界机组、IGCC、多联产系统等），热力系统表现出不确定性、非线性、大滞后和多回路耦合等特性，不确定性模型集建模、混杂系统建模方法开始引入热力系统研究领域，热力系统控制对各种先进控制策略也有很强的需求，热力系统的多变量鲁棒控制、预测控制、模糊控制、神经网络控制、多模型控制、非线性控制等先进控制方法一直是重要的研究方向。
随着热力系统参数范围的扩展，尤其是近年来航空航天领域的发展，许多热力系统内部出现了极端条件下的工程热物理问题(高速、高温、高热流、高强度燃烧)，对象工作过程中特征时间尺度大大缩短，对象的分布参数特征表现明显，面向流场、燃烧场的主动控制和分布参数控制对提高动力系统性能表现出了重要的作用，成为热力系统控制研究的新热点，与此同时，热力系统内部的非线性现象及由此引出的控制问题也引起了广泛关注，热力系统中广泛存在着分岔、突变和混沌现象，其内部物理机理涉及复杂的非线性动力学问题，在稳定性分析方面Lyapounov方法已取得不错的成果，但这些热力过程中所出现的复杂非线性现象的建模和控制仍面临很多难题，是一个有待大力开拓的研究领域。
在全球能源危机的背景下，以节能为目的的热力系统优化控制成为另一个热点，特别是近年来伴随着智能建筑、航空航天和可再生能源等现代能源动力系统的迅猛发展，提出了大量与时变环境条件下热力循环性能优化紧密相关的问题，例如：现代化建筑的热泵系统通过采用蓄冷设备和储热系统可以在变负荷条件下运用优化控制策略降低空气调节能耗。热力系统普遍工作在时变环境（自然环境和用户环境）之中，系统内部储能环节的存在会引起热力系统运行效率的动态变化，运用最优控制的理论和方法来优化热力系统在动态条件下的能量转换过程具有重要的理论意义和实用价值。
热力系统的状态监测和故障诊断是系统可靠工作的保障，一直是热力系统动态学的研究内容之一。为了有效监测系统状态，热力系统各部件和子系统都安装了大量传感器和大容量数据采集系统，有效挖掘海量动态数据中蕴含的热力系统演化规律和灾变机制，是预防和消除故障的重要手段，海量时序混合数据的知识发现、动态模式识别等成为重要的热点研究课题。
3 研究内容与科学问题
A．热动力装置和总能系统的建模、仿真和控制
（1）各种新型热力过程和设备的机理、特性和规律。从复杂和繁多的子过程特性规律中简化和提炼出系统层次研究需要的主要规律和特性，将其按照重要程度、因果关系和先后次序组合成满足系统特性研究需要的过程、部件模型和系统级模型结构。
（2）总能系统的抽象描述方法的研究，包括：适合系统描述、求解、分析和优化的、多输入多输出形式的热力系统模型表达方法；对象系统的“研究-开发-建设-运行和维护-退役”全生命周期的多产品、多准则、多目标的评价方法和指标体系；多目标和多情景的比较和优化的理论和方法等。
（3）热力系统建模及先进控制方法研究，包括：模型集辨识方法及鲁棒控制，混杂热力系统的建模理论及混杂控制，热力学过程的分岔、突变等非线性行为的建模和控制；热工流体网络建模和实时化快速求解方法；非线性、大延迟、不确定的复杂热力系统的全工况描述方法和非线性控制、智能控制；其他各种先进控制方法等。
（4）热动力装置和总能系统的优化控制研究，包括：时变环境下含有储能环节的热力系统能量转换过程建模，分布式多联产能源系统在环境随机变化条件下的热力系统运行优化和节能控制等。
B．热物理过程的建模和控制
（1）热力系统流动燃烧场的主动控制和分布参数控制研究，包括热力系统流动燃烧场等分布参数系统的低阶描述方法（如偏微方程的惯性流形方法等）及控制方法，研究热力系统流动燃烧过程的稳定性、失稳控制及主动控制技术。
（2）热力系统中分岔、混沌等非线性热物理现象的建模及控制。热力系统的流动、燃烧、传热传质等过程是多控制因素作用的非线性强耦合过程，在特定的条件下系统的结构稳定性发生改变，出现分岔、突变以至混沌，影响热力系统的稳定运行和安全，急需开展相关的建模、监测和控制方法研究。
C．热力系统的状态监测和故障诊断
（1）热力系统故障机理、模式分类和识别。研究复杂热力系统（如分布参数系统和多相流系统）不同工作模态的产生机理、模式分类和自动识别方法。
（2）热力系统动态数据挖掘。以热力系统故障诊断和和运行优化为主要目的，研究动态数据库的知识发现原理、方法和技术，研究时序关联规则挖掘、时序模式匹配技术、时序数据分类和时序异常模式发现方法。
（3）系统级故障检测和诊断：随着热力系统大型化、复杂化和自动化水平的提高，热力子系统在物质流、能量流和信息流的关联下各子系统之间的耦合更加紧密，以单一子系统作为研究对象的状态监测和诊断技术已经难以满足需要，需要研究系统级的故障诊断方法，如基于图理论的定性模型和数据驱动的定量模型相结合的故障检测和诊断方法等。
4 优先发展方向
热力系统动态学的总体发展战略目标是：（1）瞄准学科前沿和研究热点，大力加强基础理论研究，探索新型热力系统动态过程的研究方法，建立和发展新的理论分析体系，争取使我国的热力系统动态学研究在原始创新能力方面处于国际前列，为学科的持续发展做出应有的贡献。（2）紧密围绕国家经济发展和国家安全等方面提出的重大需求和迫切任务，大力开展热力系统动态学技术的应用基础和关键技术问题，为我国的经济发展提供及时的、强有力技术支撑和保障。
热力系统动态学中、近期应重点开展下列研究：新型热力设备和系统的先进建模理论和方法，复杂热力系统的建模、评价、优化控制、状态检测与故障诊断，流动燃烧主动控制理论与方法。
热力系统动态学3-5年内优先发展方向：
（1） 热力系统的新型建模理论，包括不确定性模型集建模和混杂系统建模；
（2） 时变环境下多联产能源系统及可再生能源与化石燃料综合互补利用系统的建模、评价与优化控制理论；
（3） 热力系统中流动、燃烧、传热等热物理过程的分布参数控制、主动控制及复杂非线性热物理过程的建模和控制；
（4） 热力系统动态数据知识发现方法及系统级状态监测和故障诊断。
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