高速炉燃料集合体内詳細熱流動解析手法の開発(2); 乱流モデルの導入

Development of computer program for detailed thermal-hydraulic analysis in a fast reactor fuel subassembly (2); Incorporation of turbulence models

大島 宏之; 大島 宏之; 今井 康友*

Ohshima, Hiroyuki; Ohshima, Hiroyuki; Imai, Yasutomo*

高燃焼度燃料など高性能化を目指した高速炉燃料集合体の熱流動評価手法として、サブチャンネル解析手法と複雑空間内詳細熱流動解析手法を組み合せた解析評価システムを構築している。これは、実験では解明が困難な熱流力特性を数値実験によって予測可能とし、合理的な安全設計評価に寄与することを目的とするものである。本報告書は、このシステムを構成する詳細熱流動解析コードSPIRAL-IIの開発に関して、新たに導入した乱流モデルとその基本検証解析について記述するものである。 乱流モデルとしては、標準型k-2方程式モデルに加えて、より経験定数が少なく且つ低レイノルズ領域で精度が良いとされるRNG型k-モデル、および非等方性モデルである代数応力モデル(ASM)の組み込みを行った。いずれのモデルも同型の乱流エネルギーk及び散逸率の輸送方程式をGalerkin法で離散化して解くが、ASMにおいては拡散項にDaly-Harlowモデルが適用される。ASMではk及び等から代数式によりレイノルズ応力を求めるため、反復法(Newton-Raphson法)を用いた。壁境界条件としては、いずれのモデルを使用する際にも壁関数(Reichardt関数)を適用した。 基本検証解析として、平行平板間流れ、バックステップフロー、矩形ダクト内流れ解析を行った。これらの結果から3つの乱流モデルの予測特性を把握するとともに、その妥当性を確認した。

As a thermal-hydraulic evaluation tool for fast reactor fuel subassemblies with high burn-up ratio, a numerical analysis system in which a subchannel analysis program and a detailed thermal hydraulic analysis program are utilized interractively is under development. This system enables us not only to clarify thermal hydraulic characteristics that cannot be revealed by experiments due to measurement difficulty but also to contribute to the rational safety design and assessment. This report describes the incorporation of turbulence models to the detailed thermal hydraulic analysis program SPIRAL-II and its verification study. In addition to the standard k- two-equation model, Renormalization Group(RNG) k- model and Algebraic Stress Model(ASM) were incorporated to SPIRAL-II as turbulence models. The former utilizes fewer empirical constants than the standard k- model and is believed to be more accurate especially in low Reynolds number regions. The latter treats Reynolds stresses directly and therefore has applicability to anisotropic turbulent flow. It is common for three models that similar transport equations for turbulent kinetic energy k and dissipation rate are discretized and solved by galerkin method. With respect to ASM, Daly-Harlow model is applied to the diffusion terms of the transport equations and algebraic expressions related to Reynolds stresses are solved by Newton-Raphson method using calculated k and . A wall function (Reichardt function) is applied to each model as the boundary condition treatment. A verification study of improved SPIRAL-II was carried out using three kinds of problems: turbulent flow between parallel walls, backstep facing turbulent and turbulent flow in a square duct. From these calculation results, the validity of the improved program was confirmed and prediction characteristics of each turbulent model were clarified.