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冷却材温度ゆらぎ現象の解析的評価手法の開発(XIII) $$sim$$壁面噴流場における流体-構造非定常熱的応答特性の実験的検討 $$sim$$

Development of analytical model for evaluating temperature fluctuation in coolant(XIII); Experimental investigations of stationary random temperature fluctuation characteristics in wall jet conditions

村松 壽晴; 大高 雅彦

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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壁噴流ナトリウム実験(TIFFSS-II)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特性を含む検討を行った。得られた結果は、次の通りである。〔温度ゆらぎ時系列特性〕(1)ノズルからより下流側に位置する熱電対ほど、大きな温度ゆらぎ振幅を与える。これは、壁面噴流場における連行領域厚さが、ノズル端から下流側に向かって発達し始めるためである。〔温度ゆらぎ強度分布特性〕(1)ノズルからより下流側に位置する熱電対ほど、大きな温度ゆらぎ強度を与える。また、ノズル流速に対する依存性は、不明瞭である。これは、壁面近傍での運動量が減少したことによる浮力効果の顕在化によるものであると推定される。〔自己パワースペクトル密度関数〕(1)流体境界層内外での自己パワースぺクトル密度分布では、壁噴流場に特有なバースト挙動の発生によって、50Hz以上の周波数帯でパワーレベルが上昇する。なお、周波数スペクトル分布のノズル流速依存性は、上記浮力効果の顕在化によって明確には確認できない。〔コヒーレンス関数〕(1)大きなコヒーレンシィを与える周波数帯は、大規模運動を支配する4Hz以下の低周波数領域およびバースト挙動による40Hz以上の高周波領域のみに限定される。このような中間周波数帯(4Hz-30Hz)でのコヒーレンシィの欠落特性は、壁噴流場に特有なものである。

Thermal striping phenomena characterized by stationary random tempeature fluctuations 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 a parallel wall jet experiment, TIFFSS-II.From the investigations, the following results have been obtained: [Time-Series Data Characteristics] (1)Larger temperature amplitudes were observed at more downstream distance thermocouples from the outlet plane of the jet nozzles. One of the main reasons for this behavior was considered to be that the thickness of laminar sub-layer was developed toward to downstream. [RMS value Characteristics of Temperature Fluctuations] (1)Lareger RMS values were calculated at more downstream distance thermocouples from the outlet plane of the jet nozzles. And the dependence on nozzle jet velocity was not clear. It was due to actualized buoyancy effects near the test piece wall. [Auto-Power Spectral Density Functions] (1)Higher frequency componets were increased drastically in sodium temperature fluctuations, due to the occurrence of the bursting behavior by existence of solid walls. [Coherence Functions] (1)Frequency bands having larger coherency values between temperature fluctuations were limited in a lower frequency components (<4.0 Hz) and a higher frequency components (>40.0 Hz). This frequency behavior characterizes fluid-structure thermal interaction phenomena in wall jet flows.

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