针对电容层析成像技术（ECT）逆问题中软场效应的影响，以及重建图像时使用的传统迭代类算法迭代次数多、成像速度慢等问题，将双共轭梯度（BICG）应用到电容层析成像技术中，为了得到更好的重建效果，提出了双共轭梯度与正则化思想相结合来求解逆问题的最佳解。通过COMSOL5.3软件进行建模，使用MATLAB 2014a进行图像重建与图像评估，分别使用Tikhonov、Landweber、共轭梯度（CG）、BICG、所提改进算法进行图像重建。实验表明：所提改进算法的成像效果不仅优于其他迭代类算法，而且大大缩短了图像重建需要的时间；尤其对一些复杂流型成像效果更佳，图像错误率低至约0.2，相关系数高达约0.88，成像时间缩短至2.77 s，迭代次数减少至20次。

针对小通道并联管在沸腾传热过程中传热不稳定的问题，对小通道并联管在干涸时的热动力学特性进行研究。首先，通过观察小通道并联管内干涸点前后流型的转变，将流型分成环状预警区、干涸初始点区和雾状干涸区3个区域。对3个流型下并联通道沸腾传热过程中通道内工质干度和传热系数的变化进行分析，发现随着干涸的发展，通道沸腾传热系数下降明显。然后，对通道3个流型下的压降信号，通过自适应最优核时频表示法（AOK-TFR）、自回归（AR）模型功率谱分析法和递归图分析法进行分析，发现在干涸初始点区，通道内反复出现干涸现象，且回流现象严重。最后，通过对递归图分析法中特性参数归纳总结，得到干涸初始点区与环状预警区、雾状干涸区的区别，实现通过压降信号检测干涸的目的。研究结果可对小通道沸腾传热领域中的热动力学特性进行补充和完善。

通过液固两相流冲蚀腐蚀实验，辅以电化学测量方法，研究了不同冲角（45°，60°，90°）、冲蚀时间、流体性质（有无氯离子）等因素对304不锈钢冲蚀腐蚀的影响。实验结果表明，模拟海水（NaCl的质量分数为3.5%）中的氯离子极大促进了颗粒对材料的冲蚀效果，45°冲角下氯离子对冲蚀腐蚀的促进作用最为显著，其次是90°和60°冲角。金相显微照片显示了冲蚀时间对样品表面形貌的影响。在3个不同冲角冲蚀腐蚀下，电化学测试表明，材料钝化膜随冲蚀腐蚀时间增加而变得不完整是不锈钢材料抗腐蚀性能下降的主要原因。

在舰艇空间尺寸的限制下，提高推进器的综合性能是舰船设计的关键。空化是喷水推进泵的主要噪声源和重要设计参数。为降低舰艇的噪声，提高喷水推进泵的空化性能，十分有必要研究空化流动结构演变规律及其对喷水推进泵性能的影响。以某型喷水推进泵为研究对象，采用高速摄像技术开展了喷水推进泵临界空化工况空化流动结构演变规律试验研究。在空化发生和发展过程中，喷水推进泵空化流动结构包括片状空化、云状空化、叶顶间隙空化、叶顶泄漏涡空化和垂直空化涡。试验捕捉了空化演变的物理过程，分析了各空化流动结构对喷水推进泵性能下降的影响。结合数值模拟和前人研究，阐述了空化流动结构形成机理及其对喷水推进泵性能的影响。研究结果为喷水推进泵内的空化现象提供了新的认识，也为空化性能预测方法的研究给予了借鉴和指导。

为了拓宽微型探头-传感系统的可用频带，满足高频压力信号的测量需求，需对系统的频率响应特性进行研究，并分析现有数学模型对不同结构微型探头-传感系统的适用性及预测精度。对5种典型结构的微型探头-传感系统进行了判定和划分，综述了现有微型探头-传感系统的频响预测模型、假设条件及模型修正方法。为对理论数学模型进行定量评价，计算得到了不同结构微型探头-传感系统的谐振频率、截止频率和工作频带（幅值误差±5%），并与数值仿真和实验结果进行了对比。结果表明：对于引压管较短的谐振腔，利用Panton模型计算其谐振频率，误差可控制在1%以内；对于引压管较长及带有测压孔的结构，B-T模型的预测精度最高。对实验用微型探头-传感系统进行了优化设计，并用于超声速凝结自激振荡现象的研究。结果表明：优化的微型探头-传感系统频响特性可满足高频（约10 kHz）压力波动信号的动态测量需求。

为了揭示球形塑料颗粒在气泡表面的黏附行为及机理，采用高速摄影仪对自由降落的球形塑料颗粒与固定在水槽中静止气泡的黏附过程进行拍摄，利用图像处理方法提取颗粒黏附过程运动特性曲线及碰撞角与运动时间的关系，研究颗粒碰撞位置、颗粒和气泡直径对黏附行为的影响。实验结果表明：颗粒的黏附主要分为碰撞黏附和滑动黏附，气泡表面的滑动壁面假设与实验值的吻合度较高。此外，通过对实验数据的统计发现，随着碰撞角的增大，感应时间明显增长，但是颗粒陷入气泡表面的时间基本维持在10 ms，颗粒陷入气泡的深度受气泡和颗粒尺寸的共同影响，约占气泡与颗粒直径之和的2%。

两相流动现象广泛存在于众多工业领域中，其流动过程参数如流速的准确测量对量化体积/质量流量及优化生产工艺和过程设备有重要意义。针对水平油水两相流流速测量问题，提出了一种同侧双晶连续波超声多普勒（CWUD）与电导环传感器相结合的测量方法。非侵入式超声多普勒传感器为双晶超声换能器，由2个倾角相同且中心频率为1 MHz的压电陶瓷晶片组成，两者之间使用隔声材料防止声波干扰，其中发射晶片向流体连续发射超声波，同时接收晶片接收经流体中离散液滴散射的超声波，测量区间覆盖管道横截面的整个径向范围。动态实验在50 mm管径的水平油水两相流装置上完成，通过分析油水两相流多普勒频移响应特性，发现在测量区间内，平均多普勒频移与总表观流速之间随连续相不同而呈现2种线性关系。因此，根据电导环传感器的电学敏感原理，获得无量纲电压参数判断两相流的连续相，继而选取相应流动状态下的测量模型，计算流体总表观流速。实验结果表明：总表观流速估计值均方根误差为0.01 m/s，平均相对误差为3.09%，其中相对误差小于5%的置信概率为70%。

针对空间光学遥感器在空间环境地面模拟试验中舱板温度分布不均的问题，运用模块化思想对某型号空间光学遥感器工装的舱板结构开展了优化设计。将舱板按照温度分布进行分块，提出模块化拼装和模块化热控2种设计方案，模块化拼装是对舱板及其表面加热片进行独立分块划分，模块化热控则是将舱板视为整体，仅对其表面的加热片进行分块设计。结果表明：模块化热控的舱板平均温度偏差为0.205 K，低于未模块化设计的0.87 K和模块化拼装的0.30 K，提高了舱板的温度均匀性。同时，模块化拼装改善了舱板温度分布，使得符合热控要求的测点比例由34.8%提高到96.7%，但独立划分的模块之间仍存在一定温差；模块化热控则消除了模块间的温差，将符合热控要求的测点比例进一步提高到100%，完全满足热控要求。

光场Micro-PIV通过Lucy-Richardson（L-R）算法对光场图片进行反卷积重建，从而获得示踪粒子的三维坐标信息，准确的点扩散函数（PSF）是L-R算法完成重建的前提，而现有PSF模型不适用于光场Micro-PIV系统。为此，建立了基于波动光学的显微光场成像PSF模型，进行了数值仿真，获得了模拟PSF图像，并通过结构相似性算法计算了模拟PSF图像与实际PSF图像的相似度，进一步利用L-R算法结合PSF对单个粒子和不同浓度下示踪粒子的流场进行了三维重建。结果表明：模拟PSF图像与实际PSF图像相似度大于0.94，表明PSF模型具有较高的准确性；单个粒子的三维坐标误差在一个像素以内，并可准确地获得不同浓度下示踪粒子的三维坐标信息，进一步验证了模型的准确性，为光场Micro-PIV实现瞬时三维速度场测量奠定了基础。

针对甩油盘启动过程中的流动特性，采用三维数值模拟方法研究甩油盘内外两相流场流动特性，并结合高速摄影实验结果、理论结果进行综合分析。结果表明：甩油盘的总出流量随时间发生明显变化，幅度较大。在短时间内，甩油盘各孔流量差异巨大，各孔对应的索泰尔平均直径（SMD）值相差不大，SMD主要取决于转速。各孔流量不同，雾化场分布不均匀，实验结果验证了这一现象。

为了揭示气泡尺寸和表面疏水性对塑料浮选过程的影响规律，采用高速摄影技术观测上升气泡与塑料平板在纯水介质中的碰撞黏附行为。根据气泡速率的变化情况，将碰撞黏附行为细分为碰撞、液膜排液、三相接触线扩散等3个阶段，基于图像处理技术定量分析了气泡碰撞形变、黏附时间、三相接触线扩散特性及其影响因素。结果表明：变形因子随气泡直径的增大由略大于1.00逐渐演化为略小于1.00，疏水性强的塑料平板使相同直径气泡的变形因子更大，碰撞时间随气泡直径的增大而增加，随疏水性的增加而减小。塑料平板疏水性越强，形成三相接触所用时间越短，当气泡直径为1.0 mm时，聚四氟乙烯（PTFE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）平板的液膜排液时间均出现极小值，分别为4.8 ms和56 ms。三相接触线扩散时间随气泡直径的增大而增大，随塑料平板疏水性的增大而减小，在气泡直径大小相同时，三相接触线扩散直径随塑料平板疏水性的减小而减小。

航空发动机气路和排放尾气中固体颗粒物的监测有助于提高相关设备故障的识别和预警能力。采用3种不同形式的静电传感器测量方形管道中固体颗粒质量流量，并对其测量准确度进行了对比分析。3种静电传感器在4种输送气流速度和4种固体颗粒质量流量组合成的16种工况下测量了稀相固体颗粒的静电信号，并利用静电信号强度和固体颗粒速度进行了全工况固体颗粒质量流量标定。实验结果表明：方环形静电电极的平均测量偏差最大，侵入式条状静电电极阵列在质量流量较低时的测量偏差最小，非侵入式条状静电电极阵列在质量流量较高时的测量偏差最小。

针对35 kHz超声激励薄液膜形成的Faraday波，采用实验和有限元仿真，对Faraday波的形成机理进行探究。建立超声激励下的两相流计算模型，采用计算流体力学（CFD）方法对Faraday波的形成过程进行有限元仿真，通过分析相图和流线图，探讨Faraday波的形成机理，得到Faraday波的振动频率约为超声激励频率的1/2。液体惯性的存在，导致超声激励与液体表面波存在不断变化的相位差，相位差变化周期约等于2个超声激励周期。通过35 kHz超声激励薄液膜实验，在薄液膜表面观察到排列整齐的Faraday波图案，通过测量Faraday波的波长，得出实验获得的Faraday波频率约为超声激励频率的1/2，与有限元仿真结果一致。

超声振动辅助加工为合金材料、硬脆材料和复合材料等难加工材料提供了有效的机械制造解决方案，超声振动辅助加工装置结构复杂、专业化程度高、使用可靠性差等因素制约了超声加工技术的推广及民用化历程。为了推广超声振动辅助加工的应用范围，基于超声能量传播原理，设计了一种机床附件化的超声振动工作台，能够方便地安装于加工中心上为工件提供超声振动辅助加工。首先，选用2种材料对工作台进行整体结构设计，通过模态分析确定工作台的工作频率及振动形式，使用谐响应分析揭示工作台工作时的稳定情况。其次，采用多目标优化方法对工作台进行结构优化，在保证总模态变形量不变的情况下降低振动台的质量，以减小超声能量损耗的同时提高振动状态的可靠性。最后，对比优化前后的有限元分析结果确定工作台材料并进行尺寸调整，使其更加符合实际加工需要。分析结果表明，45#钢工作台在工作时的振动稳定性要好于Cr12Mov钢工作台，但Cr12Mov钢工作台具有较大振幅。通过多目标优化使得振动台的总体质量降低27%，其工作频率同时降低11%，优化后2种工作台的共振频率带宽相差较小。

针对钛合金传统钻削中存在的切削力大、切削温度高和加工质量差等问题，研究了钛合金超声振动钻削工艺特性。首先，通过超声振动钻削的运动方程，分析了其断续切削和高速切削的特性；然后，利用Deform-3D对钛合金超声振动力钻削的轴向力、扭矩和切削温度进行了仿真，并通过超声振动钻削试验研究了轴向力、扭矩和出口毛刺相对传统钻削的变化。结果表明：钛合金超声振动钻削可以降低平均轴向力约20%，降低平均扭矩约40%，降低平均切削温度50%以上，钛合金超声加工孔的加工质量明显优于传统加工。钛合金超声纵扭复合振动钻削相比超声一维纵振钻削可以进一步降低钻削轴向力、扭矩和切削温度，体现出更好的钻削工艺特性。

针对航空领域中钛合金薄壁件在铣削过程中存在加工精度差、加工效率低等问题，提出了钛合金薄壁件高速超声椭圆振动铣削的方法。首先，在铣削加工中引入高速超声振动切削理念，使切削刀具刀尖附加椭圆振动进行超声频断续切削，可改善加工质量且突破了超声振动加工对临界速度的限制。然后，分析了该方法的分离原理，采用独立研制的超声椭圆振动铣削刀柄装置针对钛合金薄壁件进行了切削试验。试验结果显示，高速超声椭圆振动铣削相较于普通铣削，切削力降低20%~30%，且已加工表面让刀量降幅20%~30%，表面缺陷减少，表面粗糙度降低。

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在普通切削（CD）过程中因切削力及扭矩较大而产生的分层撕裂、孔壁纤维损失等缺陷，采用了旋转超声辅助钻削（RUAD）制孔方法。首先，分析了CFRP CD的孔缺陷类型及产生机理，并结合超声振动加工的特性，给出了RUAD的孔缺陷抑制机理。然后，搭建了包含非接触式感应供电旋转超声振动系统、立式加工中心和测力系统的实验平台。最后，在相同的工艺参数下，对比了CD和RUAD两种工艺下的切削力和扭矩、孔缺陷及孔壁质量。实验结果表明：相对CD，RUAD的切削力和扭矩分别降低41.46%~46.32%和41.61%~48.94%，且CFRP孔出入口及孔壁分层撕裂、纤维损失等缺陷得到了有效抑制，极大地改善了CFRP的钻孔质量。实验结果有效地验证了CFRP钻孔缺陷产生机理及超声振动抑制机理的正确性，RUAD可以用于CFRP低损伤制孔。

超声辅助塑性成形近年来已经成为塑性成形领域的重要研究方向。为了满足超声辅助塑性成形过程中的超声设备与工件安装需求，在自行研制的多孔超声振动平台基础上，设计开发了10 kN超声辅助塑性成形压力机。采用C++语言和Qt软件平台开发了压力机的控制系统及人机交互界面，并利用该压力机进行了T2紫铜超声应力软化试验和AZ31镁合金超声辅助压缩试验。结果表明，所设计的压力机可满足超声辅助塑性成形需求，工具辅助超声振动可有效改变镁合金的压缩断裂特性。

针对目前国产超声变幅杆耐用性较差的问题，设计一种新型复合变幅杆，满足振幅的条件下，使变幅杆具有较小的工作应力。通过波动方程建立新型复合变幅杆参数方程，着重计算了放大倍数、形状因数及应力极大点等参数。首先，采用有限元分析软件对变幅杆进行动力学分析，得到的结果与理论结果进行比较，验证了理论公式的正确性。然后，在此基础上与圆锥形变幅杆、指数形变幅杆及小端接圆柱杆的复合圆锥形变幅杆进行比较，结果表明新型复合变幅杆具有更好的综合性能和更小的最大应力。最后，基于ANSYS Workbench优化设计功能对变幅杆进行优化修整，对优化后的变幅杆进行阻抗分析和振动性能测试，测试结果表明新型复合变幅杆理论性能参数与实验测试结果基本一致，变幅杆的谐振频率为20 013 Hz，当换能器输出振幅峰峰值为13 μm时，变幅杆的输出端振幅峰峰值可达40 μm，变幅杆振幅实际放大倍数为3.08，满足切削实验振幅的要求。

为了改善磁路环境，最大限度地降低超磁致伸缩超声换能器的发热，将磁路间隙作为研究对象，采用Maxwell有限元软件对磁路间隙与超磁致伸缩材料（GMM）棒的磁场强度的关系进行了分析，并通过实验对超声换能器的阻抗和振幅，以及GMM棒的温度进行了测量。结果表明：随着磁路间隙的增大，GMM棒的磁场强度和磁场均匀度减小；随着导磁圆筒槽宽的增大，超声换能器的谐振频率基本一致，GMM棒的温度减小。当导磁圆筒的槽宽约为6 mm时，该GMM棒的磁场均匀度最高，机械品质因数最大，这对超磁致伸缩超声换能器的优化设计具有重要的意义。

应用模拟退火算法解决组合聚类问题有两方面，一是有效利用基础聚类作为先验信息，以获得尽可能好的组合聚类结果；二是降低模拟退火过程的随机性，提高算法收敛速度。针对这2个问题，提出了基于投票的快速模拟退火（BV-RSA）模型。该模型利用基础聚类对样本划分的完全或部分一致性作为启发信息，构建超点集合和超点投票箱，由超点取代其代表的样本子集参与退火过程，超点运动方向在投票箱范围内随机选择，降低了超点运动随机性，加速了组合聚类过程。数据集实验表明，BV-RSA模型在聚类精度和鲁棒性方面表现良好。

在大角速度条件下星敏感器成像平面上的星像会产生严重拖尾，影响星敏感器性能。为了全面认识星敏感器的星像运动轨迹形式，并定量评估星像运动对星点提取过程的影响，首先研究建立了星敏感器成像平面上星像运动轨迹的数学模型，推导出在成像平面上星像运动轨迹为一段圆弧；然后建立了星像运动时的能量分布模型，并对大角速度条件下基于质心法的星点坐标误差进行了评估，分析得到星点坐标误差的模近似可用星像运动轨迹长度的二分之一来衡量。仿真实验结果验证了所得结论的正确性。

为提高桁架结构几何稳定性的判定准确度和桁架拓扑优化结果的工程实用性，对桁架结构几何稳定性的判定方法和桁架结构拓扑优化问题中3种几何稳定约束方案的有效性进行了比较研究。首先结合简单桁架示例，对比了判定桁架结构几何稳定性的几种方法，给出评估桁架结构几何稳定性的一种简单流程；然后对处理桁架结构几何稳定性的3种常见约束方案，给出了对应拓扑优化问题的一个统一的半定规划（SDP）模型；最后结合算例讨论了3种几何稳定约束方案下的拓扑优化结果，说明了不同方案的有效性。结果表明，考虑附加载荷或全局稳定约束均不能保证优化后桁架结构的几何稳定性，但在约束值合理设置的情况下，考虑基频约束则可以保证。

针对被跟踪的目标中存在虚假目标的问题，首先建立基于风险理论、贝叶斯理论和证据理论的目标识别模型，在此基础上考虑边跟踪边识别的情况，建立同时考虑目标跟踪和识别性能的风险函数模型。在模型求解过程中，提出一种基于多Agent分布计算理论的分布式算法。仿真实验结果表明：目标识别框架下能够对目标有效识别并及时停止对虚假目标跟踪；提出的传感器方案求解算法具有较好的求解质量和较快的求解速度；本文传感器管理方法能够避免传感器资源浪费，提高对真目标的跟踪效果。

为了研究燃气涡轮叶片表面污染物沉积对气膜冷却的影响，通过将熔融石蜡喷入到小型风洞中，来模拟真实涡轮中的污染物，用平板近似代替涡轮叶片，在高温主流和低温冷流掺混的情况下，观察不同孔径和粗糙度对实验件表面颗粒物沉积的影响，以及在石蜡沉积后气膜冷却效果的变化趋势。结果表明，相同实验条件下，随着孔径的增大，气膜冷却效率逐渐增大，孔径为10 mm时的冷却效率比5 mm时的高6%左右，同时，平板表面的石蜡沉积逐渐减少，厚度相差0.15~0.20 mm；随着平板表面粗糙度的增加，气膜冷却效率逐渐下降，而石蜡沉积逐渐增多；较石蜡颗粒沉积前，沉积后的气膜冷却效率有较大的下降，效率相差5%左右。