高速炉配管合流部におけるサーマルストライピング条件の解析的検討(IV); 配管合流部下流領域における乱流2次モーメントに関する検討

Numerical investigation on thermal striping conditions for a tee junction of LMFBR coolant pipes (IV); Investigation on second-order moments in coolant mixing region

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(整流筒、制御棒上部案内管、炉心出口温度計装ウェルなど)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が構造材中に伝播し、その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)。特に、冷却材として液体金属ナトリウムを使用する高速炉では、大きな熱伝導率を持つナトリウムの性質から、この熱疲労に対する配慮が必要となる。本研究では、上流側に90エルボを持つ主配管と枝管から構成される配管合流部でのサーマルストライピング現象について、直接シミュレーションコードDINUS-3による解析的検討を行った。本研究で着目したパラメータは、当該合流部における(a)口径比、(b)流速比、(c)主配管エルボ-枝管間相対角度および(d)レイノルズ数であり、これらパラメータが配管合流部下流領域での乱流2次モーメントの空間分布特性に与える影響を評価した。得られた結果は、次の通りである。(1)流速比()を1.0に固定した条件においては、口径比()が小さいほど乱流2次モーメントの主配管内流れ方向の空間分布範囲は広がる。(2)口径比()を1.0に固定し、流速比()を主配管内流速の増減により模擬した条件においては、流速比が大きいほど乱流2次モーメントの主配管内流れ方向の空間分布範囲は広がる。一方、流速比を枝管内流速の増減により模擬した条件(口径比を3.0に固定)においては、流速比が小さほど乱流2次モーメントの主配管内流れ方向の空間分布範囲は広がる。(3)主配管角()を変化した場合、乱流2次モーメントの主配管内流れ方向の空間分布は大きく変化しない。しかしながら、それらピーク値は、主配管角が180である場合が最も大きくなる。(4)レイノルズ数(Re)が大きいほど、乱流2次モーメントの主配管内流れ方向の空間分布範囲は広がる。

This rport presents numerical results on theemal striping characteristics at a tee junction of LMFBR coolant pipe, carried out using a direct numerical simulation code DINUS-3. In the numerical investigations, it was considered a tee junction system consisted of a main pipe (1.33 cm) with a 90 elbow and a branch pipe, and four parameters, j.e., (1)diameter ratio between both the pipes, (2)flow velocity ratio between both the pipes, (3)angle between both the pipes, and (4)Reynolds number Re. From the numerical investigations, the following characteristics were obtained: (1)According to the decreasing of the diameter ratio, significant area of second-order moments was expanded in the fixed condition of =1.0. (2)Significant second-order moments area was expanded for the increasing of the flow velocity ratio specified by varying of the main pipe velocity in the case of a = 1.0 constant condition. 0n the other hand, the area was expanded for the decreasing of the velocity ratio defined by varying of the branch pipe velocity in the case of a = 3.0 constant condition. (3)Maximum second-order moments values were generated in the case of = 180 due to the influence of interactions between main pipe flows and jet flows from the branch pipe. (4)According to the increase of Reynolds number, significant area of second-order moments was expanded due to the activation of turbulence mixing in the main pipe.