ガス巻込みに関する流動数値解析; 差分法の適用性評価

CFD Simulation of trasient phenomena on gas entrainment

西村 元彦*; 野中 嘉治*; 前川 勇*

Nishimura, Motohiko*; Nonaka, Yoshiharu*; Maekawa, Isamu*

実用化戦略調査研究において検討されているナトリウム冷却炉は原子炉容器のコンパクト化がはかられている。このため、これまでの炉に比べ冷却材流速が増大することから、自由液面から冷却材中にカバーガスを巻込まない設計とその予測手法の確立が強く要請されている。本件は、設計で遵守すべきガス巻込みの判定基準の策定に寄与するため、計算科学的手法をベースとした流動評価手法を確立することを目的として、ガス巻き込みの解析手法の構築および既往実験を元に詳細実験解析を実施するものである。 既往実験としては、矩形流路の中に角柱の障害物が存在ししかもその下流にはやはり矩形で模擬された吸込み管を設置した体系が用いられた。角柱によってカルマン渦が発生し、その中のあるものは吸込み管に吸収されガス巻き込み渦を形成する非定常現象を対象としている。 今回の数値解析では、乱流モデルの影響に注目した。層流モデル、標準k-モデル、RNG k-モデル、非線形k-モデルおよびk-モデルの5ケースを実施した。得られた結果は以下のとおりである。 1)カルマン渦の成長、流速と圧力変動および変動のピーク値の大きさ等を 比較すると、層流モデルがもっとも激しい変化、変動の大きい結果を示 し、RNGモデルが層流モデルに近い変動を示しランダム性も見ることが出 来た。 2)一方、k-モデル、非線形k-モデル、標準k-の順で流れの変動がより 減衰し規則的なおとなしい流れになっている。 3)今後、実験結果と詳細な比較検討が求められるが、渦の予測に対する乱 流モデルの適用性に関し定量的なデータが得られ、既往のCFDコードの適 用性に関する知見が蓄積できた。なお、解析はSTAR-CDコードを使用した。

Sodium cooled FBR reactor in a feasibility study on commercialized fast reactor system has been designed so compact that flow velocity is much higher in the reactor than in the reactors so far. This design requires an evaluation method for gas entrainment from reactor free surface and effective countermeasures. Focusing on the establishment of gas entrainment evaluation method based on CFD, CFD simulation has been carried out with analyses of an existing gas entrainment experiment. In the analyses, four turbulence models such as standard k-e, RNG k-e, non-linear k-e and k-w have been applied and evaluated for their analytical capability in addition to laminar model. Main results have been obtained as follows;1) Laminar model shows faster vortices behavior accompanied with strong flow and pressure fluctuations including random variations than any other turbulence models. RNG model shows the solutions more similar to the laminar model than the other turbulence models.2) k-w, non-linear k-e and Standard k-e models show milder vortices behavior in this order due to excess turbulence viscosity.3) Main characteristics of major turbulence models have been obtained when they are applied to gas entrainment analysis.