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電磁流動解析手法の整備(1)-解析手法の検討及び2次元解析手法の開発-

Development of the numerical method for liquid metal magnetohydrodynamics(I); Investigation of the method and development of the 2D method

大平 博昭; 荒 邦章

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実用化戦略調査研究では、経済性の向上及び機器の高度化の観点から、液体金属高速炉の主冷却系に電磁応用機器を適用することを検討している。しかし、大容量化に伴う高流量かつ高磁場環境下での冷却材の流動現象は非常に複雑であり、これまでの研究において流動特性を評価するための実験や解析手法の開発は行われているものの、十分な現象は把握は行われていない。そこで本研究では、上記の電磁流動現象を解明するための解析手法を整備するため、まず伝熱流動及び電磁場解析手法についてレビューし、複雑形状領域における高流量かつ高磁場条件の電磁流動現象が精度良く評価できる解析手法を検討した。その結果、流動場に対しては複雑形状領域に適用できるという観点から、 GSMAC法に代表される高速化された有限要素法を、また電磁場に対しては、高速化の観点からベクトル有限要素法を提案した。さらに、高流量かつ高磁場環境下の電磁流動現象を明らかにするための電磁乱流モデルとして、ダイナミックSGSモデルを提案した。次に、上記の有限要素法及びベクトル有限要素法の妥当性を確認するため、2次元解析手法を開発し、 流動場及び電磁場の径方向を均一と過程したALIP型電磁ポンプの解析を行った。その結果、高流量及び高磁場条件において実験結果と同程度の圧力損失特性が得られ、上記の解析手法が妥当であることが確認された。

Advanced electromagnetic components are investigated in Feasibility Studies on Commercialized FR Cycle System to apply to the main cooling systems of Liquid Metal Fast Reactor. Although a lot of experiments and numerical analysis were carried out on both high Reynolds numbers and high magnetic Reynolds numbers, the complex phenomena could not be evaluated in detail. As the first step of the development of the numerical methods for the liquid metal magnetohydrodynamics, we investigated numerical methods that could be applied to the electromagnetic components with both complex structures and high magnetic turbulent field. As a result, we selected GSMAC (Generalized-Simplified MArker and Cell) method for calculating the liquid metal fluid dynamics because it could be easily applied to the complex flow field. We also selected the vector-FEM for calculating the magnetic field of the large components because the method had no iteration procedure. In the high magnetic turbulent field, the dynamic-SGS models would be also a promising model for the good estimation, because it could calculate the field directly without any experimental constant. In order to verify the GSMAC and the vector-FEM, we developed the 2D numerical models and calculated the magnetohydrodynamics in the large electromagnetic pump. It was estimated from these results that the methods were basically reasonable, because the calculated pressure differences had the similar tendencies to the experimental ones.

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