多次元伝熱流動解析コードの整備・改良(II) : タスク1:COMMIX-1AへのK-2方程式乱流モデルの追加

Improvement and validation of three-dimensional thermal-hydraulic analysis code (II); Task 1: Incorporation of k- two-equation turbulence model with COMMIX-1A

村松 寿晴; 前川 勇*; 二ノ方 寿; 青木 忠雄

Muramatsu, Toshiharu; Maekawa, I.*; Ninokata, Hisashi; Aoki, Tadao

単相多次元熱流動解析コードCOMMIX―1A(Verl2.0)には,乱流現象を記述する物理モデルとして乱流運動エネルギーkに関する1方程式モデルが用意されている。しかし,1方程式モデルでは,乱流機構の基本的要素である特性距離-の見積りを個々の場合毎の経験的な代数的関係に委ねているため,一般性のある問題には不適当である。そこで,さらにもう1個の補助方程式を加え,-に関する情報を補なう2方程式モデルを追加した。今回追加した補助方程式の未知変数には,乱流運動エネルギーの散逸率を選定した。▲今回追加した2方程式乱流モデル(k―モデル)についての実験検証は,以下に示す3種類の問題について実施した。▲1)円管流れ▲2)拡流流れ▲3)浮力流れ▲1)の円管流れでは,半径10mmの管内乱流(Re=3.9105)を解析し,実験値と比較した。この結果,kの分布で最大73%の過少評価傾向が見られたが,流速分布は1%以内で一致した。2)の拡流流れでは,入口部高さ12.2mm,拡大部高さ24.4mmのダクトにおける乱流(Re=3104)を解析した。実験値との比較では,再付着点距離(ReattachmentLength)が約18%大き目に得られたが,流速,乱流パラメータは良く一致した。3)の浮力流れでは,温度壁を有する高さ33.8mmの矩形体系の流れを解析した。結果は,2次の精度を持つ文献記載のコード出力値に対し,温度,kおよびの分布はほぼ定性的に一致した。▲

COMMIX-1A is a single-phase three-dimensional thermal-hydraulic analysis code with finite difference method developed at U.S.Argonne National Laboratory. The code is provided with one-equation turbulence model in terms of turbulent kinetic energy, k. However the major shortcoming of the model is that the transport of turbulent length scale is not accounted for. Therefore the supplementary equation related to the turbulent length scale has been added to the original model. The dissipation rate of turbulent kinetic energy has been selected as the unknown variable of the additional equation. The model governed by the set of two equations is thus called "k- model". The incorporated k- model in the COMMIX-1A has been validated in the analyses of the following three turbulence experiments: (1)Pipe flow, (2)Expansion flow and (3)Buoyancy flow. In turbulent pipe flow of Re=3.910, calculated velocity distribution agrees well within the error of 1 %, but distribution of k is underestimated by maximum 73% in the axial region. In the turbulent channel expansion flow case with backward facing step, calculated reattachment length is overestimated by 18 %. In the enclosed buoyancy driven recirculating flow case, calculated temperature, k and distributions have shown good agreement with those of the experiment with accuracy of second order in space.