Liquid phase 3D printing for quickly manufacturing conductive metal objects with low melting point alloy ink

Conventional 3D metal printings are generally time-consuming as well as lacking of high performance printable inks. From an alternative way, here we proposed the method of liquid phase 3D printing for quickly making conductive metal objects. Through introducing metal alloys whose melting point is slightly above room temperature as printing inks, several representative structures spanning from one, two and three dimension to more complex patterns were demonstrated to be quickly fabricated. Compared with the air-cooling in a conventional 3D printing, the liquid-phase-manufacturing offers a much higher cooling rate and thus significantly improves the speed in fabricating the target metal objects. This unique strategy also efficiently prevents the liquid metal inks from air oxidation, which is hard to avoid otherwise in an ordinary 3D printing. The key physical factors (such as properties of the cooling fluid, air pressure within the syringe barrel and needle diameter, types and properties of the printing ink) and several interesting intermediate fluids interaction phenomena between liquid metal and conventional cooling fluids such as water or ethanol, which evidently affecting the printing quality, were disclosed. In addition, a basic route to make future liquid phase 3D printer incorporated with both syringe pump and needle arrays was also suggested. The liquid phase 3D printing, which owns potential values not available in a conventional method, opens an efficient way for quickly making conductive metal objects in the coming time.     

金属喷射成型过程大量液滴的统计模型研究

通过概率模拟的方法,建立了金属喷射成型过程中大量金属液滴的统计模型.应用该模型对喷射成型过程中钢液的喷射过程进行了研究,给出了在喷射过程中不同尺寸液滴的分布,以及不同液滴产生的位置、初速度分布.通过大量液滴的统计,确定出整个喷射过程液滴的产生、运动情况,为进一步研究液滴在沉积面上的沉积情况提供前提和依据.     

高含水旋转湍流场中油滴分散特性的数值模拟

旋转湍流场中液滴的分散特性是流体机械设计优化过程中的难题。采用新型同心旋转圆筒装置获得了均匀分布的旋转湍流场，在Hinze模型的基础上考虑了分散相黏度对油滴分散特性的影响，对旋转湍流场和油滴分散特性的关系进行了初步探讨，获得了雷诺数为5.5×104~2.4×105，相对离心力为21.9~643.3时，流场特性与油滴分散特性的经验关系式，完善了旋转湍流场内油水分散特性的研究，为旋转湍流场内液⁃液分散特性提供新的研究思路。     

井地直流电法三维数值模拟及异常规律研究

在直流电法基本微分方程的基础上,采用有限差分法进行井地电法三维数值模拟研究。通过均匀二层介质中的数值模拟解与之对应的解析解对比,表明数值井地直流电法三维数值模拟计算方法是正确的。与以往井地直流电数值模拟不同,在数值模拟中对金属套管和井液进行了充填,这样就考虑了金属套管和井液对数值模拟结果的影响。通过模拟井中供电,改变地下的低阻体的埋深、尺寸、厚度、与围岩的电性差异以及利用重力勘探中位场异常处理技术,总结出了一些基本的异常规律。井地直流电法三维数值模拟,为井地直流电三维反演奠定了基础。     

气-液与气体工质热声发动机性能对比

为了降低热声发动机的谐振频率并增大压比,建立采用U形谐振管的驻波型热声发动机.将液柱引入U形谐振管,与热声核部分的气体工质形成气-液耦合振动系统.采用水作为液柱,将氮气和氦气分别作为气体工质,进行气-液工质耦合振动与单纯气体工质热声发动机性能的对比实验.实验结果表明,无论氮-水还是氦-水耦合振动热声发动机系统均获得了低于8 Hz的谐振频率,气-液耦合振动系统的谐振频率明显低于单纯气体系统;采用气-液耦合振动能够获得比单纯气体系统更大的压比.采用气-液耦合振动实现的低谐振频率和大压比对于改善热声驱动脉管制冷系统在深低温区的制冷性能是有利的.     

交流电场作用下油中水滴喷射现象研究

采用白油和水为实验介质,利用显微高速摄像系统对高压交流电场油中水滴的喷射现象进行了研究。结果表明,液滴破裂喷射与电场强度及频率、油品黏度以及界面张力有关;液滴破裂时的临界锥角只与两相介电常数有关,本文约为38°;随着频率增加、油品黏度增加以及界面张力的降低,子液滴的空间分布角度减小;液滴的喷射时间随液滴直径增大和油品黏度的增加而增加,黏度较低油品中,频率越低液滴喷射时间越长;喷射量随着液滴直径的增加而增加。     

熔滴短路过渡建模及熔池三维瞬态行为模拟

针对短路过渡CO_2焊接的熔滴过渡随机性强、熔池动态行为复杂的特点,考虑熔滴与熔池短路时刻、短路时刻的熔滴半径、温度和中心位置等随机因素,提出了熔滴短路过渡行为模型.采用非对称高斯热源表征电弧热流密度沿焊接方向的非对称性,采用附加源项法处理熔池各动量源,采用VOF追踪熔池气-液界面,采用液相分数法和焓-孔隙度法处理液-固糊状区熔化金属凝固潜热及动量损失,建立了短路过渡焊接熔池的三维瞬态模型.基于FLUENT软件二次开发,模拟了熔池的动态行为,研究了熔池温度场和流场的瞬态变化.对比等速送丝和脉冲送丝情况,熔滴短路间隔时间的概率密度分布和焊缝成形的模拟与实验结果吻合良好,验证了熔滴短路过渡行为模型和熔池三维瞬态模型的有效性.     

热力学模型和相平衡网络平台开发及应用

在流程工业中，热力学模型和相平衡数据是工业过程设计、模拟、控制及优化必不可少的要件，其准确性和精度直接决定过程设计、建模及控制优化的优劣。鉴于此，基于统计缔合流体理论，构建和发展了一变阱宽方阱链流体分子热力学模型，并将其成功应用到常规流体、缔合流体、电解质溶液、离子液体、聚合物等体系纯组分的PVT、混合物的汽（气）液平衡、液液平衡、固液平衡以及蒸发焓、混合焓等热力学性质的描述。同时，将该状态方程与表面张力、黏度等模型结合，可满意地预测和计算混合物表面张力、黏度等传递性质。在计算不同热力学性质中，采用了同一套分子参数，分子参数可来源于实验数据、基团贡献法或溶剂化法。另一方面，理论模型检验和模型参数的获得常依赖正确的热力学实验数据，为便于模型构建、应用和数据查询，开发了流体相平衡网络平台（www.equilibria.cn），并系统阐述了流体相平衡概念、分类、应用，提供了相平衡数据查询系统与计算软件。以上模型和网络平台的开发，为流程工业的模型化、智能化提供了基础理论和数据支撑。     

Chemisorption-facilitated dislocation emission and motion, and induced nucleation of brittle nanocrack

Using a special TEM constant deflection device, the change in dislocation configuration ahead of a loaded crack tip before and after adsorption of Hg atoms and the initiation of liquid metal-induced nanocracks (LMIC) have been observed. The results show that chemisorption of Hg atoms can facilitate dislocation emission, multiplication and motion. Nanocracks will be initiated in the dislocation-free zone (DFZ) or at the crack tip when chemisorption-facilitated dislocation emission, multiplication and motion reach a critical condition. On the basis of the available experimental evidence concerning liquid metal embnttlement (LME), a new mechanism for this phenomenon is considered. This involves the fact that the decrease in surface energy induced by chemisorption of Hg atoms results in a reduction in the critical stress intensity factors for dislocation emission and the resistance for dislocation motion. On the other hand, the plastic work and KIC will decrease with the decrease in the surface energy.     

负性胆甾相液晶电场感应的各平面织构阈值电压及螺距的测定

本文对负性胆甾相液晶在电场作用下织构交替变化现象作了进一步的实验观测。给出了各感应平面阈值电压与外场频率的关系曲线及阈值电压与各感应平面织构螺距数的关系。     

离心泵内流场特性分析

以一给定参数的具有扭曲叶片的中比转速离心泵为研究对象,绘制其二维叶轮轴面投影图、蜗壳断面图以及蜗壳平面图,并使用UG NX6.0软件对其进行三维建模,将由UG导出的parosolid格式的三维流体域模型导入到CFX中进行网格划分,采用ANSYS CFX12.1软件对其内部流场进行数值模拟及性能预测,得出离心泵在设计工况及几个典型的非设计工况点的扬程、轴功率等反映离心泵外特性的数值计算结果,用OriginPro 8软件绘制出流量-扬程、流量-效率曲线,表明该泵的扬程随着流量的增大而减小,效率随着流量的增大而先增加后减小。     

二氧化碳气体保护焊在泥浆泵液缸修复中的应用

钻井泥浆泵液缸焊接过程存在飞溅过大、喷嘴易堵塞、焊缝气孔多、有裂纹、焊接质量合格率低等问题,采取优选焊接参数、改善焊接工艺、增强二氧化碳气体在焊接过程中的保护作用、安装电压装置、加大喷嘴尺寸等技术措施,可有效提高泥浆泵液缸焊接合格率。     

小推力液体火箭推进系统脉冲工况数值模拟

给出了液体火箭推进系统脉冲工作过程数值仿真模型；基于管道中一维流动力学方程的特征线解法，微分方程用差分解法，边界条件直接含在了模型中；对影响发动机多脉冲起动的主要参数进行了数值计算，计算结果与试验中发动机的工作参数具有较好的一致性；仿真软件和所得结果对小推力液体火箭推进系统设计具有重要参考价值。     

非牛顿钻井流体流动计算机智能解析方法

钻井液体在环形钻杆空间中的运动,可归结为幂律流体管内流动和螺旋流动。由于幂律流体的本构方程,在运动方程中产生速度梯度的非线性项,求解过程比较复杂。因此应用计算机符号运算、改进的Kantorovich变分法和幂律流体模型相结合,并采用局部线性化的方法,提出了解决运动方程中出现的非线性问题的方法,即计算智能解析方法应用于非线性问题,研究了幂律流体管内非定常流动,研究方法及其结果可以推广到幂律流体螺旋流动情形。     

液压系统气穴现象研究

液压设备较长时间不启动或间断使用以及液压泵的吸空现象,均能使液压系统形成气穴。气穴的存在最直接的影响是造成液压系统的压力波动,破坏执行元件的工作稳定性。用增大吸入配管系统的流道阻力、不变更配管系统而增加被试泵的转速、闭式回路中使用真空泵降低回路压力等方法,可以测验液压系统的气穴。采取降低液压油中空气含量、防止局部真空的绝对压力低于空气分离压等措施,可以防止气穴现象的产生。     

干热岩生产井温度场的热力计算

为了研究干热岩生产井产液的保温增效问题,根据北京市某生产井井身结构特点,建立了井筒传热计算模型,利用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对该生产井探测数据进行了核实,并在此基础上提出了对干热岩生产井产液温度场影响因素的分析.结果表明:生产井三开段底部产水源的产液温度最高,热储量大,可使井口出口温度由333.1 K提高到342.3 K;同等工程参数下,泵管下入深度增加到400 m时,可使产液井口出口温度提高到337.6 K,且下入深度越大,产液出口温度越高;产液产速越大,生产时间越少,减少了产液热能损失,产液出口温度变大;相同泵管深度条件下,保温材料泵管产液出口温度比常规材料泵管高出2 K,可提高生产效益.     

外加纵向磁场对CO_2焊接短路液桥的影响

为了减少CO_2焊接飞溅,利用高速摄像装置拍摄外加纵向磁场作用下CO_2焊熔滴过渡过程,对液桥形成段、液桥缩颈段进行了研究.结果表明,当施加低频磁场时,随着磁场频率的增加,熔滴半径随之增大并在磁场频率为60 Hz时达到最大值,此时球状熔滴的体积最大;随着磁场频率的增加,液桥形成段缩短,促进了短路初期的熔滴过渡过程.当施加高频磁场时,液桥缩颈段赤道面的最小半径减小,促进了短路末期的熔滴过渡过程.外加纵向磁场可以有效促进熔滴的短路过渡过程,从而减小CO_2焊接飞溅.     

Electrically driven chip cooling device using hybrid coolants of liquid metal and aqueous solution

Heat dissipation of electronic devices keeps as a tough issue for decades. As the most classical coolant in a convective heat transfer process, water has been widely adopted which however inherits with limited thermal conductivity and relies heavily on mechanical pump. As an alternative, the room temperature liquid metal was increasingly emerging as an important coolant to realize much stronger enhanced heat transfer. However, its thermal capacity is somewhat lower than that of water, which may restrict the overall cooling performance. In addition, the high cost by taking too much amount of liquid metal into the device also turns out to be a big concern for practical purpose. Here, through combining the individual merits from both the liquid metal with high conductivity and water with large heat capacity, we proposed and demonstrated a new conceptual cooling device that integrated hybrid coolants, radiator and annular channel together for chip thermal management. Particularly, the electrically induced actuation effect of liquid metal was introduced as the only flow driving strategy, which significantly simplified the whole system design. This enables the liquid metal sphere and its surrounding aqueous solution to be quickly accelerated to a large speed under only a very low electric voltage. Further experiments demonstrated that the cooling device could effectively maintain the temperature of a hotpot (3.15 W/cm²) below 55ºC with an extremely small power consumption rate (0.8 W). Several situations to simulate the practical working of the device were experimentally explored and a theoretical thermal resistance model was established to evaluate its heat transfer performance. The present work suggests an important way to make highly compact chip cooling device, which can be flexibly extended into a wide variety of engineering areas.     

声控磁控两相流流型的实验研究

研究了在两端开放的水平管中，磁流体在磁场和声场的共同作用下的流型，结果表明在两端开放的水平管中磁性粒子在高振动频率小振幅时出现驻波状集聚，在低振动频率大振幅时出现均相。     

高压脉冲DC电场破乳技术研究

W／O型乳化液的静电聚结破乳技术在石油开采、石油炼制、液膜分离等领域应用非常广泛。讨论了采用“高压脉冲DC电场＋绝缘涂层电极”进行破乳过程的作用机理,并阐述了国内外基于高压脉冲DC电场而研发的旋转式静电聚结器、静电预原油脱水器、非旋转式电破乳器等电场力和离心力组合作用的连续式电破乳器产品。虽然“高压脉冲DC电场＋绝缘涂层电极”组合具有一定的优点,但至今在石油开采领域并未得到工业化推广应用,人们尚需针对高压脉冲DC电场和高压AC电场的破乳性能进行进一步的对比研究。