高サイクル熱疲労の熱流動現象に関する研究; T管および平行三噴流体系の温度変動

Experimental study on thermal hydraulics in high cycle thermal fatigue; Temperature fluctuation in mixing tee and parallel triple jets along wall

上出 英樹 ; 五十嵐 実; 木村 暢之; 林 謙二

Kamide, Hideki; Igarashi, Minoru; Kimura, Nobuyuki; Hayashi, Kenji

高サイクル熱疲労は流体の温度変動が構造物に繰り返し熱応力を負荷し疲労破壊に至るもので、近年も原子力分野で損傷事例が散見されることから重要な課題となっている。本報告では代表的な流体混合部であるT管体系と高速炉の炉心出口部を単純化した平行三噴流体系について水試験を行ない、流体内の温度変動の空間分布、周波数特性の知見を得た。試験の結果、温度変動の周波数特性が、フローパターンが同一であれば流速の絶対値によらずSt数と無次元化したパワースペクトル密度により一般化して表現できることなどを明らかにした。T管体系では枝管からの噴流が主管の流れに対する障害物となって生じるカルマン渦的な流れが温度変動に大きな影響を与えることを明らかにした。

When temperature fluctuation in fluid is transferred to the structure, it induces thermal load via thermal expansion of the structure. If the fluid temperature fluctuation amplitude and then thermal stress are large, structural integrity might be lost due to high cycle thermal fatigue, i.e., thermal striping. Water experiments were carried out for thermal hydraulic aspects of the thermal striping. A mixing tee and a triple-parallel jet along wall were selected as the test geometry. Detailed temperature and velocity fields were measured by movable thermocouple trees and particle image velocimetry. The power spectrum density (PSD) of temperature fluctuation could be estimated by a universal line, which is normalized by St number, when the flow velocity ratio and flow pattern was identical. Comparison of frequency characteristics between the temperature and velocity showed that the temperature fluctuation in the mixing tee was caused by Karman vortex behind the jet exiting from the branch pipe in case of wall jet condition.