冷却材温度ゆらぎ現象の解析的評価手法の開発(IV) -直接シミュレーションによる温度ゆらぎ周期評価手法の開発-

Development of analytical model for evaluating temperature fluctuation in coolant (IV); Development of analytical model for temperature fluctuation frequency using a direct numerical simulation method

村松 壽晴

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高速増殖型炉の炉心出口近傍では,熱流力特性の異なる集合体からの冷却材同士の混合によって,不規則な温度ゆらぎ現象(サーマルストライピング現象)が発生する。本研究では,これまで行うことのできなかった温度ゆらぎ周期の解析的評価を可能にするため,空間に関して3次の精度を持つ風上差分法による直接シミュレーションコードDINUS-3(DIrect NUmeri-cal Simulation using 3rd-order upwind scheme)を新たに開発した。同コードは,AQUAコード等では評価することのできない温度の不規則振動挙動の時間的変化を時々刻々計算することができる。DINUS-3コードの等温場における運動量計算の妥当性を評価するため,直接シミュレーションコードの検証に最もよく採用される矩形障害物背後のカルマン渦列の解析を行った。得られた結果は,次の通りである。(1)レイノルズ数Reの増加に伴って増加するカルマン渦列の周期(ストロウハル数St)は,DINUS-3コードにより的確に模擬することができる。(2)DINUS-3コードの主要な対象流動である不規則流速振動はもちろんのこと,層流領域から乱流領域に渡る遷移領域についても流速振動挙動を的確に模擬することができる。更に,非等温場における運動量計算とエネルギー計算の妥当性を評価するため,定常不規則過程を損なわない程度に簡略化した平行噴流水実験を取り挙げて解析を行った。得られた結果は,次の通りである。(1)複数の周波数から成る温度ゆらぎ挙動を良好に再現することができる。(2)実験における代表的な温度ゆらぎ周波数が約9.6Hzであるのに対し,DINUS-3コードは約12.3Hzを予測した。なお,サーマルストラインピング現象の評価で問題となる周波数が概ね10Hz以下のものに限られることから,両者の一致は良好であると判断できる以上より,DINUS-3コードは,高乱流場において発生する不規則振動挙動(流速および温度)の時間的変化を良好に再現できることが確認されたと共に,実規模体系におけるサーマルストライピング現象の温度ゆらぎ周期の評価に適用可能であるとの見通しを得た。

A thermal striping phenomenon characterized by a random temperature fluctuation occurs in the region immediately above the FBR core due to the temperature difference of the core outlet coolant between subassemblies. In this study, a direct numerical simulation code DINUS-3(Direct NUmerical Simulation using 3rd order upwind scheme) has been developed based on the third order upwind scheme and investigated applicability of the DINUS-3 code to temperature fluctuation analysis. From the analysis of von Karman vortex streak behind a rectangular obstacle, the following results have been obtained: (1)Change of the vortex frequency (the strouhal number St) with increase of the Reynolds number Re can be estimated by the DINUS-3 code. (2)A stationary random turbulence fluctuation including a buffer region between the transition and the turbulent regions can be predicted using the DINUS-3 code. And the followings became clear after the analysis of a nonisothermal parallel jet experiment using water. (1)A temperature fluctuation phenomenon including complicated frequency components can be simulated well using the DINUS-3 code. (2)Calculated dominant frequency has shown good agreement with the experiment. From the analysis, it is concluded that the DINUS-3 code based on the third order upwind sheme has a sufficiently high potential in providing good interpretation of experimental results related to the temperature fluctuation phenomena such as thermal striping.