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配管合流部の混合現象に関する研究; 感温液晶シートによる配管内表面温度測定試験

Study on Mixing Phenomena in T-Pipe Junction ; Temperature Measurement Test in Pipe by Liquid Crystal Sheet

田中 正暁; 川島 滋代*; 五十嵐 実; 林 謙二; 飛田 昭; 上出 英樹

Tanaka, Masaaki; Kawashima, Shigeyo*; Igarashi, Minoru; Hayashi, Kenji; Tobita, Akira; Kamide, Hideki

温度の異なる流体が混合することにより生じる温度変動が構造材に伝わると、構造材に高サイクル熱疲労(サーマルストライピング現象)が発生する場合がある。冷却材に液体金属ナトリウムを使用する高速炉では、水に比べてナトリウムの熱伝導率が高いことから液体の温度変動が構造に伝わり易く、本現象の評価は重要な課題である。 核燃料サイクル開発機構では、T字管体系の配管合流部におけるサーマルストライピング現象に着目し、T字管における混合現象及び実機プラントで観測されている長周期温度変動の原因を解明するために、長周期温度変動水流動試験を実施している。可視化試験の結果から、流入条件の違いにより噴流形態を(A)衝突噴流(B)偏向噴流(C)再付着噴流(D)壁面噴流に分類でき、各噴流形態は主/枝配管流体の運動量比により整理できることを明らかにした。 本研究では、主配管に枝配管が接続する合流部下流の主配管内表面に感温液晶シート貼り付け、配管表面温度の測定を試みた。配管表面温度は、感温液晶シートによる可視化画像から温度データに変換して定量的に取得する。画像解析による輝度値データから温度データヘの変換にかかる不確かさについて検討し、感温液晶シートによる温度測定誤差は10$$^{circ}C$$の感温範囲に対して平均土約2度Cであることが分かった。 感温液晶試験の結果から、(A)衝突噴流条件及び(D)壁面噴流条件のケースでは枝配管下流の主配管内面に、枝配管からの低温流体によるコールド・スポツトが形成され、このコールド・スポツトは時間的に変動し、コールド・スポツトの周辺では温度変動強度が高い値を示すことがわかった。これにより、(A)衝突噴流条件及び(D)壁面噴流条件が配管への熱疲労の観点から厳しい流動条件であることが分かった。壁面に設置した熱電対データとの比較から、感温液晶シートを用いた本手法による温度分布測定結果は熱電対による粗な空間分布を補間するものとして有用であることを確認した。

Temperature fluctuation due to mixing of hot and cold fluids gives thermal fatigue to the structure (thermal striping phenomena).Investigation of this phenomenon is significant for the safety of a fast breeder reactor, which uses liquid metal as a coolant. In Japan Nuclear Cycle Development Institute, experiments and numerical analyses have been carried out to understand this phenomenon and also to construct the evaluation rule, which can be applied to the design. A water experiment of fluid mixing in T-pipe with long cycle fluctuation (WATLON),which notices thermal striping phenomena in the T-pipe junction, is performed to investigate the key factor of mixing phenomena by reason of long cycle fluctuation observed in a plant. By the former visualization test, it was showed that the flow pattern of branch pipe jet could be classified into (A) impinging jet, (B) deflecting jet (C) re-attachment jet and (D) wall jet according to the inflow condition. It was confirmed that the each jet pattern could be predicted by the momentum ratio of the each piping fluid. In this study, a thermo-chromic liquid crystal sheet was put on the inner wall in the main pipe, and temperature field on the wall surface was visualized. We established a new method to convert the color image data to temperature data. And measurement uncertainty of this method was evaluated + and - about 2.0 [deg-C], using by the typical picture in the temperature calibration test. From the temperature fluctuation visualization test by liquid crystal sheet, the cold spot was formed in just downstream region from the outlet of the branch pipe in the cases of the wall jet and impinging jet. Since this cold spot moved in time, high value of temperature fluctuation intensity was shown around the cold spot. And the validity of this method was shown from the comparison of the thermocouple data installed in a wall surface with the temperature conversion result.

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