Model development for bubble turbulent diffusion and bubble diameter in large vertical pipes

大口径垂直管における気泡の乱流拡散及び気泡径に対するモデル開発

大貫 晃; 秋本 肇

Onuki, Akira; Akimoto, Hajime

計算資源の拡大に伴い、受動的安全システムや自然循環型原子炉といった新たな原子力システムの二相流解析も多次元で行うことが期待されるようになってきた。しかしながら、既存の多次元解析用構成方程式は小規模な体系で評価されてきたものであり、実際の体系への適用性については十分検討されていない。特に流路スケールの影響に対する検討が不足している。本研究では、内径38mmと200mmのデータを使い多次元二流体モデルにより流路スケール効果を解析し、同効果をモデル化するのに必要なパラメータを同定するとともに流路スケールの相分布に及ぼす影響を予測できるモデルを開発した。流路スケールの影響は気泡径dbと渦スケールlTの相対関係で整理できる。lTよりdbが小さい場合に気泡により誘起される乱れが増大し、lTがdbの約3倍以上でボイド率が高くなると気泡の合体が分裂よりも増大する。これらより、気泡の乱流拡散並びに気泡径に対する新たなモデルを構築した。構築したモデルを内径38mmと200mmの異なる流量条件やさらに大規模な内径480mmの助走域での流動で評価し、口径の影響を予測できることがわかった。

Multi-dimensional analyses have been expected recently with expanding computation resources for gas-liquid two-phase flow analyses of advanced nuclear systems such as passive safety systems and natural-circulation-type reactors. However, the applicability of previous constitutive equations for multi-dimensional analyses has not been fully investigated especially for the effects of flow path scale because the equations have been assessed for small-scale experiments. In this study, we analyzed the scale effects by the multi-dimensional two-fluid model code using data in 38 mm and 200 mm diameter pipes. We clarified a key-parameter to model the scale effects and developed models for the effects on phase distribution. The scale effects can be classified by the relative relationship between bubble diameter db and turbulent length scale lT. Bubble-induced turbulence is increased under that db is smaller than lT and bubble coalescence is predominated rather than breakup under that lT is about three times larger than db and under higher void fraction. Based on these findings, we established new models for bubble turbulent diffusion and bubble diameter. The applicability was promising through assessments against the 38 mm and 200 mm pipes under different flow rates and against a database for developing flow along 480 mm pipe.