サーマルストライピング現象の熱流動に関する研究; DNSを用いた平行三噴流ナトリウム試験解析

Study on thermalhydraulics in thermal striping phenomena; Experimental analysis of sodium parallel triple-jet DNS

木村 暢之; 長澤 一嘉*; 宮越 博幸; 三宅 康洋*; 五十嵐 実; 上出 英樹 

Kimura, Nobuyuki; Nagasawa, Kazuyoshi*; Miyakoshi, Hiroyuki; Miyake, Yasuhiro*; Igarashi, Minoru; Kamide, Hideki

高速炉において、温度の異なる流体が混合し、その際発生する温度変動が構造材へ伝わることにより、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)の評価手法を確立することは重要である。サーマルストライピング現象の評価において、流体中での温度変動特性、流体から構造材への温度変動の伝達特性、構造材中の温度変動の伝播特性を取り込んだ上で、構造健全性を評価することで、安全性担保と合理的な設計が可能となる。 流体中での温度変動特性が構造材表面へ達する過程において、流体混合により発生した温度変動が、構造材近傍に存在する流体の速度/温度境界層により、温度変動挙動の変化を明らかにするために、構造物の熱容量による温度変動の減衰効果を切り離し、境界層による挙動の変化のみに着目したDNS解析を実施した。本解析は、3本の噴流を平行に設置し、鉛直に吐出する平行三噴流ナトリウム試験に対して実施した。中央の噴流を低温、左右の噴流を高温に設定し、3つの噴流の吐出速度が0.5m/sで等しい条件について実施した。 本解析結果と実験結果を比較すると、壁面から離れた位置では時間平均温度場および温度変動のスペクトル密度はよく一致しており、本解析により実験の温度/速度場を良好に模擬できていることがわかった。実験では壁面近傍で温度変動強度が小さくなるのに対し、解析では壁面近傍での温度変動強度の減衰は見られなかった。すなわち、Na体系では流体の速度境界層による温度変動の減衰効果はごく小さい。壁面のごく近傍における流体の温度変動強度は、壁(構造材)との熱的相互作用により減衰することが示され、現象を評価する上でその考慮が重要である。また、解析結果より乱流2次モーメントを求め、壁面の摩擦による影響を評価した。

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. The reasonable and safety design could be approved by taking account of decay of temperature fluctuation in fluid, during heat transfer from fluid to structural surface and thermal conduction in the structure. Temperature fluctuation characteristics due to convective mixing will be influenced by the velocity/temperature boundary layers near the structure. In this study, an experimental analysis was performed using DNS in order to separate influence of heat capacity of the structure and to evaluate an attenuation due to the boundary layer near the wall surface for a sodium experiment of parallel triple jets configuration. In the experiment, a cold jet on center and hot jets on both sides flowed vertically and along the wall, and the discharged velocities of triple jets were O.5m/s equally. The calculated temperature field was in good agreement with the experimental result at further position from the wall surface, including the power spectrum density of the temperature fluctuation. On the other hand, at near position from the wall surface, calculated temperature fluctuation intensity was not attenuated whereas the experimental intensity was decreased. This means that the intensity of temperature fluctuation is not decreased by the boundary layer. Thermal interaction between fluid and the wall will decrease the temperature fluctuation intensity in the fluid near the wall. The effect of wall friction on second moments of turbulence was evaluated.