配管系における複雑乱流場の流動特性に関する研究(先行基礎工学研究に関する共同研究報告書)

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須藤 浩三; 檜原 秀樹*; 村松 壽晴

Suto, Kozo; not registered; not registered

各種プラントの配管系では、高温と低温の流体が混合するT字形配管合流領域において、機器や配管に高サイクルの熱疲労が発生する。この現象はサーマルストライピングと呼称され、その研究は高速増殖炉の安全性および設計の点からも重要となる。このサーマルストライピング現象の原因を解明するには、T字形配管合流領域の温度変動特性だけでなく、複雑な流れ場の流動特性についても詳しく調べる必要がある。そこで、本研究では、まずT字形配管合流領域において色素流脈法およびスモーク法を用いた流れの可視化を行い、主管内に噴出する枝管からの流れの挙動を調べた。そして、その結果に基づき、速度波形および 3方向の時間平均と速度変動の相互相関の測定を熱線を使って行い、合流部下部の流れに及ぼす各種パラメータ{主管流レイノルズ数、流速比(主管流と枝管流れの断面平均流速の比)および口径比(主管径と枝管径の比)}の影響について調べた結果、以下のような知見を得た。1)合流後の流れは主管内に噴出した後の枝管流の挙動により大きく 3種類の流動パターン、すなわち成層分離流、偏向噴流、衝突噴流に分類でき、レイノルズ数Re=5005000、流速比=0.110、口径比=2.05.0の範囲ではG1(,,Re)1の場合には、成層分離流、G1(,,Re)1かつG2(,,Re)1の場合には偏向噴流、G2(,,Re)1の場合には衝突噴流となる。ここで、G1(,,Re)=20.8・・の1.26・Reの-0.737乗、G2(,,Re)=20.1・・の1.86・Reの-0.138乗 2)枝管からの流れが偏向流となる場合は、アーチ渦状の渦列がみられ、その渦の放出周波数は流速比が小さく、かつレイノルズ数が大きいほど高くなる。3)枝管からの流れが偏向噴流となる場合には、軸方向速度の周波数スペクトルに卓越周波数がみられ、この卓越周波数が渦の放出周波数に相当する。また、卓越周波数 fより得られるストローハル数Sr=f・Dm/Wm(Dm:主管径、Wm:主流の断面平均流速)は、レイノルズ数Re=500050000、流速比=0.332.0、口径比=2.045.20の範囲ではSr=1.06(の-1乗・・Reの0.2乗)の-0.353乗なる式で近似できる。

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