サーマルストライピング現象の熱流動に関する実験研究; 平行三噴流間混合の温度場と速度場

Experimental study on thermal-hydraulic for thermal striping phenomena; Results of temperature and velocity measurement among parallel triple jets

宮越 博幸; 長澤 一嘉*; 木村 暢之; 三宅 康洋*; 上出 英樹 

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

高速炉において、温度の異なる流体が混合することにより発生する温度変動が、構造材に伝達することによって、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)を定量的に評価することは重要である。サーマルストライピング現象を評価する上で、流体中の温度変動特性、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考慮し、温度変動の減衰を取り入れることで、安全性を確保した合理的な設計が可能となる。本研究では、流体中で発生した温度変動特性の構造材近傍での変化を評価することを目的として、壁に沿う3本鉛直噴流水試験を実施した。低温噴流とその両側から高温噴流を平行スリットから壁面に沿って吐出させ、噴流間の流体混合の壁面近傍での変化を移動式熱電対および粒子画像流速測定法(PIV)を用いて計測した。その結果、平行三噴流体系においては、左右の高温噴流は中心の低温噴流側に傾いて流れ、噴流間の流体混合は、これらの噴流が衝突する位置で活発化していることがわかった。高温噴流の低温噴流側への傾きは、壁面に近づくに従い大きくなる傾向を示し、これに伴い噴流間の流体混合が発生する領域は上流側にシフトする。各奥行き断面での最大温度変動強度を比較すると、壁間の中央位置から壁面に近づく従い徐々に減衰する傾向を示すが、壁面の近傍では一旦上昇傾向を示し、さらに壁面に近づくと再び減衰することがわかった。温度変動のスペクトル密度は、等速条件め場合、壁間の中央位置で卓越周波数成分がみられた。壁面に近づくに従いそのパワーは小さくなり、低周波成分が増加した。一方、非等速条件の場合、温度変動のスペクトル密度に卓越した周波数成分は認められなかった。LDVとPIVの比較を行った結果、両者の流速値および流速の変動値に関する計測結果ほぼ一致しており、本試験におけるPIV流速計測の妥当性および測定結果の信頼性を確認することができた。PⅣにより得られた流速から求めた乱流二次モーメントは、等速条件の場合に比べ、非等速条件では、水平方向および鉛直方向のノーマル成分の値が小さくなっていることが明らかとなった。また、乱流二次モーメントのノーマル成分は、奥行き方向位置に対して依存性を有することが明らかとなった。

A quantitative evaluation on thermal striping, in which temperature fluctuation due to convective mixing among jets causes thermal fatigue in structural components, is of importance for structural integrity and also 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 structure surface and thermal onduction in the structure. In this study, water experiment was performed for vertical and parallel triple jets along wall, those are cold jet in the center and hot jets on both sides. The local temperature and velocity were measured by movable thermocouples and particle image velocimetry(PIV). The both hot jets flowed leaning to the cold jet. The lean of the jets increased as the jets approached the wall. So the convective mixing region among the jets was shifted upstream near the wall. Temperature fluctuation intensity was dependent of the distance from the wall. Under isovelocity condition, prominent frequency component was observed in the power spectrum density of the temperature fluctuation at the furthest position from the wall. The power at the prominent component decreased as the jets approached the wall. Under non-isovelocity condition, on the other hand, the power spectrum density of temperature fluctuation was independent of the distance from the wall. Comparison of the second moment between of velocity PIV and laser Doppler velocimetry showed that the PIV system had high measurment accuracy. Under non-isovelocity condition, the normal components in the second-order moments of fluctuation were smaller than those under isovelocity condition. Normal components in the second-order moments in turbulence was dependent of the distance from the wall."