ガス巻込みに関する流動数値解析; 有限要素法の適用性評価

Study on CFD Approach for Gas Entrainment Phenomenon; Evaluation of Applicability of Finite Element Flow Analysis

江口 譲*

Eguchi, Yuzuru*

本研究は、ナトリウム冷却高速炉の炉容器内自由表面でのカバーガス巻込み現象を予測するための流動解析手法の評価に関するものであり、特に、有限要素法の先進的手法の一つである弱形式に基づくマルチスケール法(VMS法)を調査した。調査では、電力中央研究所で開発した非VMS乱流解析コードSMART-femとVMS乱流解析コードMISTRALを用いてガス巻込みを伴う2種類の流動問題を解析し、各数値モデルの適合性と解析コードの現象再現性を評価した。 まず、円筒容器内の旋回流(ベンチマーク問題)を対象としたVMS解析結果と昨年度実施した非VMS解析結果から、以下の知見を得た。(1) VMS法を用いた解析では、渦近傍の急峻な流速変化を非VMSに比べて精度良く再現でき、周方向流速のピーク値は概ね2倍となるが、何れの方法でも実験値と比べると小さい。(2) 渦強度の目安となる第2不変量分布をVMS法で計算したところ、その半値幅(第2不変量の最小値の1/2となる渦半径)は非VMS法で得られるものと大きな差異はない(窪み深さの評価量も非VMS法のもの同程度となる)ことが判明した。(3) 第2不変量がゼロとなる渦半径は、VMS法で得られるものが、非VMS法で得られるものに比べると妥当な値となるが、この渦半径から計算される窪み深さの評価量は、実験値に対して非保守的な結果となる。 さらに、今年度から実施中の開水路吸込み流(詳細実験問題)を対象とした非VMS解析から、以下の知見を得た。(4) メッシュ分割が不足している領域では波長2Dxの流速振動が発生するので、適正な流動評価を行うには適切なメッシュ分割が必要となる。(5) 第2不変量分布は渦発生が予測される中心部分で負となり、その周囲が正となることが示され、この分布特性は円筒容器内の旋回流(ベンチマーク問題)で見られたものと整合する。 今後は、開水路吸込み流(詳細実験問題)の解析結果を非定常特性に着目して分析し、準定常的な円筒容器内の旋回流(ベンチマーク問題)との相違を明らかにするとともに、開水路吸込み流(詳細実験問題)などの非定常渦問題に対するVMS法の適用性を検討する必要があるものと考えられる。

The report is concerned with the evaluation of applicability of numerical modelling methods for the prediction of gas entrainment in an upper plenum of a sodium-cooled fast breeder reactor (FBR). Special attention was paid to applicability of variational multiscale (VMS) modelling in the context of the Finite Element Method. Two flow problems, which were experimentally shown to induce gas entrainment, are solved by a VMS code (MISTRAL). First, computing a benchmark problem of a gas entrainment swirl flow in a cylindrical vessel has led to the following results;(1) the VMS solution is able to resolve the precise vortex core structure more accurately than the non-VMS solution. The circumferential velocity obtained from VMS computation rises almost double in comparison with the non-VMS solution, though it still underestimates the experimental values.(2) the half-value radius of the negative region of the second invariant of velocity gradient matches well between the VMS and the non-VMS solutions.(3) the negative/positive boundary of the second invariant obtained from the VMS solution is closer to the vortex core radius observed in the experiment than that of the non-VMS solution, though the vortex dip length computed from the VMS result is shorter than the experimental value. Second, computing a benchmark problem of open channel flow with a square pillar and downstream suction pipe has led to the following results;(4) 2Dx-type spatial oscillation was observed due to lack of mesh subdivisions.(5) the distributional profile of the second invariant is similar to that of the first problem, characterized by a strong negative region surrounded by a weak positive region. As a possible future plan, it may be necessary to more precisely analyze the features of unsteady vortices obtained in the second benchmark problem and to identify the difference from the steady vortex of the first benchmark problem.