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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 - 壁面近傍での混合現象の変化 -

Experimental study on convective mixing for thermal striping phenomena; Variation of mixing phenomena near Wall

木村 暢之; 長澤 一嘉*; 五十嵐 実; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Nagasawa, Kazuyoshi*; not registered; Kamide, Hideki

高速炉において、温度の異なる流体が混合することにより発生する温度変動が、構造材に伝達することによって、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)を定量的に評価することは重要である。サーマルストライピング現象を評価する上で、流体の混合による温度変動発生挙動、発生した温度変動の構造材近傍での減衰挙動、流体から構造への温度変動の伝達挙動を明らかにし、温度変動の減衰を取り入れることで、より柔軟で合理的な設計が可能となる。本研究では、流体中で発生した温度変動特性の構造材近傍での変化を評価することを目的として、壁に沿う3本鉛直噴流水試験を実施した。低温噴流とその両側から高温噴流を平行スリットから壁面に沿って吐出させ、噴流間の流体混合の壁面近傍での変化を移動式熱電対および粒子画像流速測定法(PIV)を用いて計測した。実験パラメータは噴流の吐出速度とした。その結果、左右の高温噴流は中心の低温噴流側に傾いて流れていることがわかった。さらに、低温噴流の吐出速度が高温噴流より小さい場合(非等速条件)、低温噴流が片方の高温噴流側に傾いて流れていた。噴流の傾きは、壁面に近づくにつれて大きくなり、それに伴い、噴流間の流体混合が発生する領域が上流側にシフトした。また、3本の噴流の吐出速度が同じ場合(等速条件)、壁面に近づくにつれて温度変動強度が低下するが、非等速条件では壁面近傍での温度変動の減衰効果はみられなかった。温度変動のスペクトル密度に関して、等速条件の場合、壁から離れた位置でみられた卓越周波数成分が壁面に近づくにつれて小さくなり、低周波数成分の割合が増加した。一方、非等速条件の湯合、温度変動の周波数に卓越成分はなく、壁面からの距離による温度変動のスペクトル密度の依存性はみられなかった。PIVにより得られた流速から求めた乱流二次モーメントは、等速条件の場合に比べ、非等速条件では、水平方向および鉛直方向のノーマル成分の値が小さくなっていることが明らかとなった。また、等速・非等速条件に関わらず、壁面に近づくにつれて、乱流の非等方性が強くなることがわかった。

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, It is necessary for quantity of thermal striping phenomena to evaluate occurrence of temperature fluctuation, decay of temperature fluctuation near structures, tansfer of temperature fluctuation from fluid to structures. The structural safety is clarified, based on the above information. In this study, water experiment was performed using vertical and parallel triple jets along wall, those are cold jet on center and hot jets on both sides. The experimental parameter is discharged velocity of jets. The local temperature and velocity were measured by movable thermocouples and Particle Image Velocimetry. The both hot jets flowed leaning to the cold jet. Under the non-isovelocity condition, which the discharged velocity of the cold jet was smaller than that of the hot jet, the cold jet flowed leaning to the one side of the hot jet. The leaning of the jets increased as the jets approached the wall. So the convective mixing region among the jets was shifted upstream near the wall. Under the same discharged velocity condition in triple-jet, temperature fluctuation intensity decreased as the jet approached the wall. On the other hand, temperature fluctuation intensity did not decrease near the wall under the non-isovelocity condition. Under isovelocity condition, prominent component in temperature fluctuation observed at the furthest position from the wall decreased as the jets approached the wall. Under non-isovelocity condition, on the other hand, the spectrum density of temperature fluctuation was independent of the distance from the wall. Under non-isovelocity condition, the normal components in the second-order moments in turbulence were smaller than those under isovelocity condition. The non-isotropy in turbulence increased as the jets approached the wall.

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