配管合流部の混合現象に関する研究 -可視化試験結果と予測解析-

Study on mixing phenomena in T-pipe junction; Visualization test results and prediction analysis

五十嵐 実; 田中 正暁  ; 林 謙二; 飛田 昭; 上出 英樹 

not registered; not registered; Hayashi, Kenji; Tobita, Akira; Kamide, Hideki

温度の異なる流体が混合することによって発生する温度変動により、構造材内部に熱疲労が発生する現象(サーマルストライピング現象)を評価することは重要な課題である。核燃料サイクル開発機構では、設計に適用できる評価ルールを構築するために実験及び解析ツールの整備を実施している。T字管体系の配管合流部におけるサーマルストライピング現象に関しては、合流部での混合現象及び実機プラントで観測されている長周期温度変動の原因を解明するために、長周期温度変動水流動試験(WATLON:Water Experiment of Fluid Mixing in T-pipe with Long Cycle Fluctuation)を実施している。本研究では、染料注入法による可視化試験を実施し、配管合流部での温度変動に影響を及ぼす枝管噴流の挙動を調べた。試験は主配管/枝配管の流速及び温度をパラメータとして実施し、流入条件の違いによる噴流形態の変化を観測した。その結果、流入条件の違いにより噴流形態を(1)衝突噴流(2)偏向噴流(3)再付着噴流(4)壁面噴流に分類できることがわかった。また、各噴流形態は各配管流体の運動量比により整理できることを明らかにした。T字管内の混合現象に対する解析手法の適用性を把握するために、多次元熱流動解析コードによる解析を実施した。乱流モデルにk-モデルを用いた定常解析により、噴流形態の予測が可能であるかを検討した。その結果、k-モデルを用いた解析で定性的に可視化試験における噴流挙動が模擬できていることから、本解析手法により噴流形態の予測が可能であることがわかった。

Temperature fluctuation due to mixing between hot and cold fluids gives thermal fatigue to the structure (thermal striping phenomena). Research of this phenomenon is significant for the safety of a fast reactor which uses liquid metal as the coolant. In Japan Nuclear Cycle Development Institute, experiments and the improvement of the analyses have been carried out to understand this phenomena and also to construct the evaluation rule which can be applied to the design. The Water Experiment of Fluid Mixing in T-pipe with Long Cycle Fluctuation (WATLON), aiming at examining thermal striping phenomena in the T-pipe junction, is performed to investigate the key factor of mixing phenomena and reasons of long cycle fluctuation observed in a plant. In this study, a visualization test using dye injection method was carried out and the behavior of the jet from a branch pipe jet, which affected the temperature fluctuation in mixing region, was examined. Experimental parameters were flow velocity and temperature of main/branch pipe. Behavior of the jet from a branch pipe changed according to the inflow condition. The experimental results showed that the jet form could be classified into (1)impinging jet (2)deflecting jet (3)re-attachment jet (4)wall jet according to the inflow condition. It was confirmed that each jet form could be predicted by momentum ratio of each piping fluid. The analysis using the multi-dimensional thermal-hydraulic analysis code, CASCADE, was performed to understand applicability of the analytical metbod in T-pipe junction. The objective of this analysis is to confirm that the steady-state analysis using the k- model for turbulent model is able to predict the jet form. The results showed that the jet behavior observed in the visualization test could be qualitatively simulated by the analysis using the k- model.