上流にベンドを有する配管合流領域における非等温流体混合メカニズムの解明とサーマルストライピング緩和・制御法の開発(共同研究)

Investigation of thermal hydraulic mixing mechanism in T-junction pipe with a 90-degree bend in upstream side for mitigation and controlling of thermal-striping phenomena (Joint research)

結城 和久*; 橋爪 秀利*; 田中 正暁  ; 村松 壽晴

Yuki, Kazuhisa*; Hashizume, Hidetoshi*; Tanaka, Masaaki; Muramatsu, Toshiharu

異なる温度の流体が混合するT字配管合流部では、流体混合によって発生する非定常の温度揺らぎの振幅,周波数及び構造材側条件(板厚や材質等)に依存して、構造材の熱疲労現象が発生する可能性がある。このため、熱疲労の緩和は、原子炉プラント設計において安全上重要な課題である。特に、T字合流部の上流側に90度ベンドが存在する場合、ベンドで形成される2次流れが流体混合を複雑化させることがわかっている。そこで、本研究では、流体混合場と壁面温度変動に対するベンドの曲率半径比の影響を明らかにすることを目的とし、混合状態の可視化並びに壁近傍での流体温度変動の計測を実施した。主流速度,枝流速度をパラメータとするさまざまな混合条件下における温度変動特性から、ベンドが存在することにより、流体中に大きな温度変動が生じることを確認した。混合特性,温度変動特性及び下流方向への温度変動の減衰特性に関して、曲率半径が大きな支配要因であることを確認した。また、配管口径比及び曲率半径によって、壁面近傍の温度変動強度分布が異なること及びそのメカニズムについての知見を得た。ベンドで形成される二次流れの激しい非定常減衰挙動と枝配管噴流の後方に形成される後流との相互作用による枝配管噴流の非定常挙動について明らかにした。さらに、壁面近傍における流体温度変動強度に関して、混合形態ごとに整理・分類し、高い精度での予測式を構築した。

In T-junction pipe, temperature fluctuation is induced due to unstable fluid mixing. Development of the relaxation and control techniques for the thermal fatigue is one of the most important issues in the future plant design. If a 90-degree bend exists in the upstream of the mixing tee in the piping system of power plants, a secondary flow formed in the bend makes the fluid mixing phenomena even more complex. This study aims at clarifying effects of curvature ratio of the bend on the non-isothermal fluid mixing in the Tee-junction area and the temperature fluctuation induced by the unstable mixing, by visualizing the flow fields with PIV and measuring fluid-temperature fluctuation in the vicinity of wall. From the visualization, it is clarified that a high-temperature jet flowing out from a branch pipe swings and sways near the wall, which leads to higher temperature fluctuation than that in a case without the 90-degree bend. In addition, in the case that there exists a separation in the bend, the fluid mixing and the temperature fluctuation characteristics including its damping in the downstream direction are completely different from those without the separation. Furthermore, in the case using the bend that doesn't produce the separation, there are cautionary conditions in which the temperature fluctuation is maximized in a transition regime of a stratified flow and a turn-jet flow. It seems that the principal cause for this is repetition generation and disappearance of a circulating flow formed behind the jet due to an interaction between unsteady behavior of a secondary flow in a decay process after the bend and the wakes formed behind the jet, which leads to the vigorous oscillation of jet near the wall. For the prediction of the temperature fluctuation, it's possible to predict it in each fluid mixing pattern.