サーマルストライピング現象における流体内混合に関する実験研究 -平行三噴流間の混合過程と吐出速度の影響-

ExperimentaI study on convective mixing for ThermaI Striping Phenomena; Mixing process among paralleI Triple-Jet and effect or discharged velocity

木村 暢之; アキラ トーマス トクヒロ; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Tokuhiro, Akira; Kamide, Hideki

高温と低温の流体の混合により発生する温度変動が、構造材に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量化することは重要な課題である。本研究では、流体内の混合特性を明らかにする観点で、複数噴流の混合の過程を定量化することを目的とし、水を作動流体として低温噴流の両側に高温噴流を平行スリットから吐出させた3本鉛直噴流体系を用いた実験を実施した。実験パラメータは噴流吐出速度とし、噴流の混合過程を超音波流速計と移動式熱電対により計測した。三噴流の吐出速度差がないときは、噴流に周期的な振動が発生し、噴流の振動により混合が促進される。振動周期は噴流吐出速度に基づくStrouhal数で整理できることがわかった。一方、噴流吐出速度差があるときは、噴流に振動は生ぜず、噴流混合は、噴流吐出速度差がないときに比べ、緩やかに行われている。また、位相平均を用いることにより、温度変動を周期成分とランダム成分に分解することができた。それによると、噴流吐出速度が大きくなるにつれて、噴流が激しく混合する領域では、温度変動の周期成分の割合が大きくなり、ランダム成分の割合が低下することが明らかになった。

A quantitative evaluation on thermal striping, in which temperature fluctuation due to convective mixing among jets causes thermal fatigue in structural components, is of importance for reactor safety. ln this study, a water experiment was performed using vertical and parallel triple jets, those are cold jet on center and hot jets on both side. The experimental parameter was discharged velocity of the triple-jet and local temperature and velocity were measured by ultrasound Doppler velocimetry and movable thermocouples. The objective is a quantification of the mixing process in the multiple-jet. Under isovelocity condition, the jets oscillated periodically and mixing among thejets was promoted by periodic oscillation. The periodic oscillation was dependent on the Strouhal number based on the discharged velocity. Under non-isovelocity condition, on the other hand, the jets did not oscillate periodically and mixing among the jets progressed more gentle compared with the case under isovelocity condition. The tempwrature fluctuation could be decomposed into coherent and random components using the phase averaging process. The rate of the coherent component in the temperature fluctuation increased and the rate of random component in temperature fluctuation decreased in proportion as the discharged velocity was increased.