冷却材温度ゆらぎ現象の解析的評価手法の開発(XII) - 定常不規則温度ゆらぎ挙動の周波数領域における検討 -

Development of analytical model for evaluating temperature fluctuation in coolant (XII); Investigation of stationary random temperature fluctuation characteristics in frequency domain

村松 壽晴

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高速炉の炉心出口近傍では、炉心構成要素毎の熱流力特性(集合体発熱量、集合体流量)の違いから、炉心燃料集合体間あるいは炉心燃料集合体-制御棒集合体間などで冷却材に温度差が生じ、それらが混合する過程で不規則な温度ゆらぎ挙動が発生する。この温度ゆらぎを伴った冷却材が炉心上部機構各部の表面近傍を通過すると、冷却材中の不規則な温度ゆらぎと構造物とが熱的な相互作用を起こし、その構造材料は高サイクル熱疲労を受ける(サーマルストライピング)。本報では、当該熱的相互作用を定量的に把握する目的で行われた衝突噴流ナトリウム実験(TIFFSS-I)の時系列データを用い、定常不規則温度ゆらぎ挙動の周波数領域での検討を行った。得られた結果は、次の通りである。[自己パワースペクトル密度関数](1)流体境界層外から試験片内部に向かうに従い、高周波成分の寄与が大きく低下する。これは、境界層および流体から試験片への熱伝達による高周波成分に対するフィルタ作用によるものである。(2)ノズル流速に対する依存性は、境界層外温度、境界層内温度および試験片表面温度で観察される。ただしこの依存性は、20Hz以上の周波数帯についてのみ顕著である。これはノズル流速による乱流強度(乱流微細渦スケールのパワー)の上昇によるものと考えられる。[コヒーレンス関数](1)流体境界層内温度同士のコヒーレンシィは極めて小さい。これは流体境界層外温度が、乱流現象の本質である不規則挙動に支配されていることを示唆している。(2)異なる種類の熱電対間でのコヒーレンシィは、近距離にあるもの同士についてのみ高い値を示す。しかしながら、有意なコヒレンシィ値を示す周波数帯は、比較的低周波成分のみ限られる。[伝達関数](1)流体境界層外から流体境界層内、および流体境界層内から試験片表面への伝達関数では、3-10Hz近傍にゲインの高い領域が生じる。なお、20Hz以上の周波数領域では、非線形特性が卓越するようになるため、伝達関数に連続性が無くなる。(2)伝達関数はノズル流速の変化に対して大きな変化を示さず、普遍的表示式の導出に関する見通しを得た。

Thermal striping phenomena characterized by stationary random temperature fluctuation are observed in the region immediately above the core exit of liquid-metal-cooled fast breeder reactors (LMFBRs) due to the interactions of cold sodium flowing out of a control rod (C/R) assembly and hot sodium flowing out of adjacent fuel assemblies (F/As). Therefore the in-vessel components located in the core outlet region, such as upper core structure (UCS), flow guide tube, C/R upper guide tube, etc., must be protected against the stationary random thermal process which might induce high-cycle fatigue. In this study, frequency characteristics of stationary random temperature fluctuations were investigated by the use of the time-series data from parallel impinging jet experiments, TIFFSS-I. From the investigations, the following results have been obtained; [Auto-Power Spectral Density Functions] (1)Higher frequency componets were decreased drastically with the close to the test piece surface, due to the presence of filtering effect by the laminar sub-layer and heat tansfer to the surface from coolant. (2)Dependence to the nozzle velocities was observed at the outside and inside positions of the laminar sub-layer region. It was due to the increasing of turbulent intensities with increase of the nozzle velocities. [Coherence Functions] (1)Coherency between outer temperatures of the laminar sub-layer was very small. 0ne of the main reasons is that the outer temperatures of the laminar sub-1ayer were dominated by the stationary random phenomena of turbulence flows. (2)It was confirmed that the coherency between immediate positions of different thermocouples had relatively higher values. [Transfer Functions] (1)The dominant frequency band of the gain was about 3 - 10 Hz for the transfer functions of the outer position to the inner position of the laminar sub-layer, and of the inner position of the laminar sub-layer to the test piece surface. (2)There wasno dependence of ...