SPHINCSコードのスプレイ燃焼モデルの開発と検証 液滴燃焼実験解析と技術課題の摘出

Development and validation of SPHINCS program for FBR sodium fire analysis study on droplet combustion and unresolved issues in spray fire modeling

山口 彰; 田嶋 雄次*

Yamaguchi, Akira; Tajima, Yuji*

高速炉のナトリウム燃焼安全評価のため、SPHINCS(Sodium fire PHenomena IN multi-Cell System)コードを開発している。本報告書には、SPHINCSのスプレイ燃焼モデルについて詳述するとともに、スプレイ燃焼モデルの検証のため、単一液滴燃焼実験の解析を行った。また、実験結果と解析結果の比較に関する考察を踏まえてスプレイ燃焼評価モデル確立のための課題を整理した。SPHINCSのスプレイ燃焼モデルは、液滴群の直径の分布として抜山-棚沢分布を仮定している。スプレイ燃焼量はスプレイを構成する個々の液滴燃焼量の総和として求められる。単一液滴の燃焼モデルはD2則に基づく拡散燃焼モデルである。また、強制対流により液滴周囲の火災帯が球対称でなくなり、蒸発速度が増加する効果を考慮している。液滴が着火するまでは、移流拡散による気体のフラックスから反応量を評価する。反応生成物に関しては、化学平衡理論によりナトリウム-酸素-水蒸気系での反応割合を定量化している。落下液滴の運動方程式では、重力と抗力を考慮しており、液滴レイノルズ数に依存する球体の抗力係数の実験値を用いて液滴位置と速度を求めている。温度500、直径3.8mmの液滴を2.7mの高さからナトリウム液滴を自由落下させて燃焼量を測定した実験の解析を行った。解析の結果、液滴の着火温度を実験観察結果より決定すれば、液滴燃焼量の予測値は実験結果と良好に一致することを確認した。スプレイ燃焼に関しては、液滴の着火温度の評価と着火に至る過程の解明、液滴群の直径分布関数の妥当性確認、群燃焼モデルの評価方法の確立が今後の研究開発課題である。

SPHINCS (Sodium Fire Phenomenology IN multi-Cell System) computer program has been developed for the safety analysis of sodium fire accident in a Fast Breeder Reactor. The program can deal with spray combustion and pool surface combustion. In this report the authors put focus on spray combustion phenomena. The main features of the spray combustion model of SPHINCS are as follows. First of all, Nukiyama-Tanasawa distribution is used to represent the statistical characteristics of the liquid droplet size. Total amount of spray combustion rate is expressed by the sum of the burning rate of individual liquid droplet. The liquid droplet-burning rate is based on the D-square law and a diffusion flame assumption. Forced convection effect that skews the sphere shape of the flame zone surrounding a droplet is taken into consideration. It enhances the burning rate. Before a droplet is ignited, the burning rate is evaluated by mass flux of oxidizer gases, The chemical equilibrium theory is used to determine the resultant fraction of reaction products of Na-O-HO system. The kinetic motion of free-falling droplet is based on the Newton's equation in which gravity force and drag force are considered. The drag force is evaluated using the drag coefficient for non-reacting sphere droplet as a function of the droplet Reynolds number. A series of experiments of single droplet combustion are analyzed using the SPHINCS code with above-mentioned physical models. The diameter of the droplet is approximately 3.8 mm. The initial temperature is kept at 500 degree C. The burning rate is evaluated by comparing the initial mass and the mass of retrieved droplet after 2.7 m fall. It has been found that the computed burning rate is in accordance with the experimental results if one assume the ignition temperature appropriately based on the experimental observation. Future works are (1)evaluation of ignition temperature and pre-ignition phenomena, (2)applicability of the ...