自由液面からのガス巻き込みに関する数値解析(I) -円筒容器内での自由表面渦の解析-

Numerical-simulation for gas entrainment from free surface (I); Calculation of free surface vortex in the cylinder

伊藤 啓; 堺 公明; 山口 彰

Ito, Kei; Sakai, Takaaki; Yamaguchi, Akira

実用化戦略調査研究で検討されているナトリウム冷却大型炉では、炉容器上部プレナム内の冷却材流速が比較的大きく、自由表面からのガス巻き込みを防止することが重要となっている。従来の研究より、原子炉容器内で発生するガス巻き込みの要因は、液面の乱れ、潜り込み及び窪み渦に大別できることが分かっている。このうち、窪み渦によるガス巻き込みは、渦中心部近くの下流域の存在により発生し、実験、解析により、ナトリウム冷却大型炉概念での設計基準を明確化しておくことが重要である。本報では、窪み渦によるガス巻き込み評価手法確率の一環として、電力中央研究所にて行われた自由表面渦試験を対象とし、自由表面形状を考慮した三次元流動解析を行った。その結果、窪み渦速度分布の解析精度は解析メッシュ幅に大きく依存し、 渦スケール(周方向最大流速が生じる半径)の1/10程度の大きさのメッシュを用いることによって、渦スケール程度の解析制度を得ることが可能となった。窪み渦解析における表面張力の効果を調査する為に、表面張力係数をパラメータとした解析を行い、表面張力係数を大きくすることで、液面の窪み量が減少することを確認した。また、渦中心近傍の領域では、数値拡張の影響が大きいため、高次精度差分を用いて解析を行う必要があることが明らかとなった。

Design study is made on a large-scale sodium-cooled fast breeder reactor in the feasibility studies of the next generation reactors. In this design, coolant velocity in the upper plenum of reactor vessel is higher than conventional designs. Therefore special attention should be paid to gas entrainment behavior at the free surface. Gas entrainment due to a free surface vortex is particularly important, because it has downward velocity near the vortex center. The velocity is large enough to carry a gas bubble to the primary circuit, which connects to the core region. In this research, a free surface vortex test, conducted in Central Research Institute of Electric Power Industry, was numerically simulated, for the purpose of establishing an evaluation method of gas entrainment. VOF (Volume of Fluid) model of PLIC (Piecewise Linear Interface Calculation) type and CSF (Continuum Surface Force) model for surface tension are used to consider the free surface dynamics. As a result, it is noted that calculation accuracy of the vortex greatly depends on the mesh size in the analysis model. Required accuracy was obtained when the mesh size is 1/10 of the vortex scale length (i.e., radius where the tangential velocity reaches the maximum). Effect of surface tension was also investigated. It was cleared that higher surface tension coefficient tend to decrease the gas core dent of the vortex. In addition, 1 upwind scheme and 2 upwind scheme was compared. It is concluded that the effect of numerical diffusivity is significant near the vortex center.