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; 噴流間混合の乱流特性に対するDNSの摸擬性評価

Study on convective mixing for thermal striping phenomena; Evaluation on Similarity of DNS for turbulence characteristics of mixing among jets

木村 暢之; 三宅 康洋*; 長澤 一嘉*; 五十嵐 実; 上出 英樹 ; 菱田 公一

Kimura, Nobuyuki; Miyake, Yasuhiro*; Nagasawa, Kazuyoshi*; not registered; Kamide, Hideki; Hishida, Koichi

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。本研究では、平衡三噴流水試験体系による噴流間の流体混合現象に対して、DINUS-3コードを用いた直接シミュレーション(DNS)による模擬性の評価を行った。実験では、熱伝対による温度場計測に加え、粒子画像流速計測法(PIV)による温度場計測による乱流量を求め、DNSとの比較を実施した。試験条件は、三本の噴流吐出速度を0.5m/sで同じとし、噴流間の吐出温度差は5とした。その結課、DNSにより、時間平均温度場・速度場に対し、噴流間に形成される渦の構造を含め、実験結果を十分に再現できることが明らかとなった。また、乱流量に対しては、DNSは実験を課題評価していたが、速度変動の確率密度関数のプロファイルは、実験と解析でよく一致していた。また、DNSによる解析によって得られた速度変動の水平成分と鉛直変動の結合確率密度関数の形状は、実験で得られたものと同じプロファイル形状を示した。これらの結果から、噴流間の流体混合現象について、DNSにより乱流特性を含めて良好に再現できることがわかった。

A quantitative evaluation on thermal striping, in which temperature fluctuation due to convective mixing causes high cycle thermal fatigue in structural components, is of importance for reactor safety. In this study, we carried out the velocity/temperature measurement using thermocouples and the particle image velocimetry in a water experiment, which had a parallel tripl-jet configuration, and a direct numerical simulation (DNS) was performed using DINUS-3 code and compared with the experimental result. As for the experimental condition, the discharged velocities of three jets were equally 0.5 m/s and the discharged temperature difference was 5C. The time-averaged temperature/velocity fields obtained from the DNS calculation were in good agreements with the experimental results including the vortex structures between the jets. The DNS calculation overestimated the turbulent quantities in the experiment. The calculated profiles of the probability density function in the velocity fluctuating components, however, were in good agreements with those in the experiment. The predicted joint probability density function between the horizontal and vertical velocity fluctuating components was close to the experimental one. It was shown that the DNS calculation well simulated the convective mixing processes between the jets from the point of view of the turbulent quantities.