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平行三噴流のサーマルストライピング現象に関する実験研究; 噴流の吐出速度差と吐出温差が対流混合に及ぼす影響

Experimental study for thermal striping phenomena of parallel triple-jet; Effects of the difference between hot jets and cold jet in discharged temperature and velocity on convective mixing

木村 暢之; Tokuhiro, Akira; 宮越 博幸

Kimura, Nobuyuki; Tokuhiro, Akira; Miyakoshi, Hiroyuki

高速炉では、原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差のため、炉心上部機構底面に熱サイクルが生じる現象(サーマルストライピング現象)による構造材の熱疲労は重要な課題である。ここでは、水を作動流体とし、低温噴流の両側に高温噴流を平行スリットから吐出させた3本鉛直噴流による実験により、複数噴流 の混合における熱水力学的挙動を評価することを目的とした。本実験は、噴流吐出速度、噴流吐出温度をパラメータとし、レーザードップラー流速計(LDA) 、超音波流速分布測定装置(UVP)による混合部の局所流速分布測定と、熱電対 による温度分布測定を行った。本報告では、主に温度計測により得られた実験結果について示す。3噴流の混合過程は、単一噴流と比較して温度変化の勾配 が2$$sim$$3倍程度の大きさとなる領域(対流混合領域)を経ることがわかった。対流混合領域の範囲は、噴流吐出温度差に依存せず一定であり、噴流吐出速度差が依存する場合では、ない場合と比較して上流・下流に広がっていた。噴流吐出速度差一定の場合、対流混合領域内での温度・温度変動幅の空間分布は、噴流吐出温度差で規格化することにより一致することから、噴流の混合における温度差の影響は、噴流吐出速度差の影響と比較し、小さいことがわかった。噴流吐出速度差のない場合のみ、中心噴流が、噴流吐出速度に依存した周期で振動し、これにより、温度揺らぎ成分中に2$$sim$$5Hz程度の卓越した周波数成分がみられた。一方、噴流吐出速度差のある場合では、このような振動が見られず、温度揺らぎ成分も通常の乱流状態の周波数分布と同様であった。これらの結果から、原子炉構造物に対し、サーマルストライピング現象による大きな熱サイクルが生じる領域(対流混合領域)の存在が明らかとなり、この領域を踏まえて、原子炉構造物を設置する必要があると考えられる。また、高温噴流と低温噴流の吐出速度差を与えることで、吐出速度に依存する温度揺らぎの最大振幅を持つ周波数成分を抑制することができると考えられる。

Elucidation on thermal hydraulic behavior of Thermal Striping is of importance for a reactor safety, which is arisen form exit temperature difference of fuel subassemblies. Since its temperature fluctuation may cause thermal cycle fatigue on upper internal structure (UIS). A series of experiments was performed using the Thermal Striping water test facility in order to investigate the mixing phenomena on three vertical jets with exit velocity and temperature differences. The parameters were the velocity and temperature of the jets at discharge nozzles. The local velocities were measured by Ultrasound Velocity Profile (UVP) monitor and Laser Doppler Anemometry (LDA), and temperature distributions were measured by thermocouples. This report mainly examined the experimental results of temperature measurements. There is a typical region where the gradient of the temperature variation in the triple-jet is 2$$sim$$3 times larger than that in a single-jet: that is the Convective Mixing region. This region is independent of the discharged temperature difference. While the region is dependent on the discharged velocity difference, e.g. this region spreads with larger velocity difference among the jets. For isovelocity discharge conditions, non-dimensional temperature fields are almost independent of discharged temperature differences within Convective Mixing region. Consequently, the effect of temperature difference is negligible compared to that of velocity difference on the flow field. There are remarkable frequencies of 2$$sim$$5 Hz in temperature fluctuation due to a oscillation of the central jet (cold jet) for this condition. While, for non-isovelocity discharge condition, there are no remarkable frequencies. Hence, it is clear that there is the region where a large thermal fatigue is imposed by Thermal Striping against structures of Fast Reactor. It is suggested that the structures have to be placed outside of Convective Mixing region. Also, it is considered that ...

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