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Numerical Investigation on Thermal Stratification and Striping Phenomena in Various Coolants

各種の冷却材を用いた場合の温度成層化現象およびサーマルストライピング現象についての数値的検討

Yang Zumao*; 村松 壽晴

Yang Zumao*; not registered

原子炉構造物に熱疲労を与える温度成層化現象およびサーマルストライピング現象について、その熱流動上の特徴を把握することは、原子炉設計の観点から重要である。本研究では、核燃料サイクル開発機構で開発された多次元熱流動解析コードAQUAを用い、水,ナトリウム,鉛および炭酸ガスを冷却材として用いた場合の熱流動上の特徴を数値解析により抽出する。温度成層化現象については、リチャードソン数Riをパラメータとして合計8ケースを解析し、以下の結果を得た。(1)流体物性および計算初期条件は、同現象を支配する浮力、熱拡散などの効果に大きな影響を与える。(2)炭酸ガスを用いた場合の熱流動上の特徴は、この他の流体を用いた場合のそれらと大きな違いを示し、特に温度成層界面近傍における運動量および熱量の交換特性に関する差異が顕著である。サーマルストライピング現象については、同現象を特徴づける熱流動上の特徴の内、温度ゆらぎ振幅の空間分布特性についての評価を行い、以下の結果を得た。(1)高乱流条件である今回のサーマルストライピング解析結果は、前記の温度成層化現象で抽出された特徴と比較して、違いが認められた。(2)今後の温度ゆらぎ周波数の検討では、炭酸ガスを冷却材に用いた場合に低流速領域での特徴把握に、その他の冷却材を用いた場合に剪断流領域での特徴把握に注意を払う必要がある。

It is important to study thermal stratification and striping phenomena for they can induce thermal fatigue failure of structures. This presentation uses the AQUA code, which has been developed in Japan Nuclear Cycle Development Institute (JNC), to investigate the characteristics of these thermal phenomena in water, liquid sodium, liquid lead and carbon dioxide gas. There are altogether eight calculated cases with same Richardson number and initial inlet hot velocity in thermal stratification calculations, in which four cases have same velocity difference between inlet hot and cold fluid, the other four cases with same temperature difference. The calculated results show : (1) The fluid's properties and initial conditions have considerable effects on thermal stratification, which is decided by the combination of such as thermal conduction, viscous dissipation and buoyant force, etc., and (2) The gas has distinctive thermal stratification characteristics from those of liquid because for

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