原子炉容器内冷却材の温度成層化の評価(第4報); 応力代数式乱流モデルの検討

Investigation of thermal stratification phenomena in reactor vessel (4); Investigation of algebraic stress model

村松 壽晴; 二ノ方 寿

Muramatsu, Toshiharu; Ninokata, Hisashi

原子炉容器内の冷却材温度成層化現象を精度良く評価できる様にするため、AQUAコード内で使用しているk-方程式乱流モデルの替えて、応力代数式乱流モデルを組込んだ。この新乱流モデルでは、乱流プラントル数等の経験定数を用いないことから、作動流体によらない高精度な解析が実現される。この乱流モデルを用いて水及びナトリウムを作動流体とした温度成層化実験の解析を行い、以下の結果を得た。[水実験解析](1)温度成層界面に揺動が発生しないリチャードソン数領域の解析では、従来界面の上昇速度を過少評価していた。今回の応力代数式モデルを使用することで、実験結果を良好に再現できる。(2)温度成層界面に揺動が発生するリチャードソン数領域の解析においては、k-モデルで揺動振幅の過大評価、応力代数式モデルで若干の過少評価径行を示す。[ナトリウム実験解析]従来温度成層界面の上昇速度を1/3程度に過少評価していたが、今回の応力代数式モデルの適用により実験結果を良好に再現できる。以上より、温度成層化現象の様な非等方性挙動が卓越する現象の解析には、従来のk-乱流モデルに替えて応力代数モデルの使用が模擬精度の観点から推奨される。

For the purpose of the establishment of analytical model for turbulent flow behavior related to in-vessel thermal stratification phenomena, an algebraic stress turbulent model (ASM) has been implemented into AQUA in the place of the k- turbulence model. The new turbulence model has provided high-accurate results in thermal stratification analysis due to the fact that empirical constants such as the turbulence prandtl number prt have been eliminated. From the analyses of water and sodium experiments using the new model, the following results have been obtained: [Water experiment] (1)Calculated speed of stratification interface rise agreed well with the experiment under the conditions that the internal sloshing behavior of the stratification interface was not observed. (2)While under the experimental conditions with the internal sloshing behavior being present, a calculated sloshing amplitude was slightly underestimated by the ASM. One of the reasons is considered to be that the model constants were derived for steady-state flows and not for transient turbulent flows. [Sodium experiment] In general, calculated speed of stratification interface rise has agreed well with the experiment. From the above results, it was confirmed that the algebraic stress turbulence model is superior to the conventional k- turbulence model on accuracy for an analysis of thermal stratification phenomenon.