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研究 - DNSを用いた噴流間の流体混合現象の解明 -

Study on convective mixing for thermal striping phenomena; Investigation on convective mixing among jets using DNS

木村 暢之; 五十嵐 実; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; not registered; Kamide, Hideki

高温と低温の流体が混合することにより発生する温度変動により、構造物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)を定量的に評価することは重要な課題である。本研究では、低温噴流の両側に高温噴流を配置した平行三噴流水試験に対して、直接シミュレーション(DNS)による多次元熱流動解析を実施し、模擬性を評価するとともに、DNSの結果から噴流間の流体混合現象のメカニズムの解明を行った。解析は、3本の噴流吐出速度を同一とし(等速条件)、吐出流速の異なる2ケースと中心の低温噴流の吐出速度が高温噴流より小さい非等速条件1ケースに関して実施した。DNSによる解析により、等速条件および非等速条件下での実験の時間平均温度、温度変動強度および温度変動の確率分布を再現できることが明らかとなった。また、等速条件の実験でみられた周期的な温度変動成分についても、DNSによる解析により再現できることが明らかとなった。DNSにより得られた詳細な速度場および温度場の情報より、等速条件下では、噴流間の流体混合の過程は噴流吐出速度に依存せず、噴流の振動に支配されていることがわかった。また、DNSの結果に対して、位相平均を用いることにより、噴流間の流体混合を促進している噴流振動の発生メカニズムを明らかにすることができた。

A quantitative avaluation on thermal striping phenomena, that temperature fluctuation due to convective mixing among jets imposes thermal fatigue on structural components, is of importance for reactor safety. In the present study, a water experiment was performed on parallel triple-jet: a cold jet at the center and hot jets in both sides. And numerical analyses using a direct numerical simulation code were carried out. The similarity of the numerical result for the experimental results was estimated. The mechanism of convective mixing among jets was investigated using the numerical results. The experimental and numerical cases were three; the first two cases had isovelocity condition, the third case had non-isovelocity condition, in which discharged velocity in the cold jet was smaller than the hot jets. The numerical results were in good agreements with the experimental results as for the time-averaged temperature, temperature fluctuation intensity and probability distributions. And the analyses could simulate the coherent fluctuation of temperature observed in the cases under iso-volocity conditions. The mixing processes were indepandent of the discharged velocity but significantly dependent on the oscillation of jets under iso-volocity conditions. The mechanism of the oscillation of jets, which promoted convective mixing processes among jets, was clarified using the phase-averaging techniques and numericalresults.