Stirring-indueced vortical motion measured by ultrasound Doppler velocimetry; Initial 2D vector plots

撹拌子による強制渦の超音波ドップラー流速計による計測; 予備試験での2次元速度分布

Tokuhiro, Akira; 小林 順 

Tokuhiro, Akira; Kobayashi, Jun

プール型の高速炉は自由表面を有する構成となっており、自由表面からのガス巻き込みの炉心に与える影響を明らかにすることが重要な研究課題の1つとなっている。原子炉工学室では、ガス巻き込みに対する基本的な知見を得るため、円筒容器内に強制渦を作り出し、強制渦の流動に関する試験を実施している。一方、当室では、音響手法による流速分布計測手法の高度化研究として、超音波流速分布測定装置を用いた多次元計測や液体金属の流速分布測定についても研究を進めている。そこで渦の流動挙動に関する理解を得るため、ガス巻き込み試験装置に超音波流速分布測定装置を用いた多次元計測手法を適用する実験を行った。本報告書では、計測された流速情報を評価することにより得られた、渦に対する知見を報告するとともに、超音波流速分布測定装置と多数本の超音波トランスデューサを用いることにより、2次元の流速場が計測できることを示す。実験は、水を用い、直径280mm高さ280mmの円筒容器の底面中央におかれた磁石の撹拌子によって強制渦を誘発し、6本のトランスデューサを直交させて設置することによって流速の径および軸方向成分を計測した。実験の結果、得られた流速データを組み合わせることにより、r-z平面の2次元の流速ベクトル場が得られた。そして、強制渦の流れの変化の比率(すなわち渦度)が示された。本報告書の結果では使用したトランスデューサの本数が少ないため、流速場の解像度が低くなり、流速情報が限定されたものになっている。したがって、平均値や定常または規則的な過渡変化状態における変動量を評価するためには、レーザー流速計や従来から利用されている可視化技術などを並行して利用する必要がある。しかしながら、超音波流速計を用いた計測方法でも、トランスデューサの本数を増加し、平面解像度を高くすれば熱流動研究上有効な道具となりうることを示した。今後さらに3次元計測に対しても拡張を行っていく。

An experimental investigation on stirring-induced vortical motion of a liquid was conducted in a cylindrical container measuring 280mm diameter 280mm height. The test medium was water and a magnetic stirrer located at the bottom on the container (centered) induced the flow. The motion can be generally described as rotationally induced vortex motion, which is of relevance to gas entrainment concerns, from the free surface of pool-type LMFBR. The objective of the investigation were two-fold: (1)to demonstrate that a two dimensional (2D) velocity field, using ultrasound Doppler velocimetry and a multiple number of ultrasound transducers (TDXs), could be measured and (2)to evaluate the content of the measured velocity information with respect to understanding the relevant vortex dynamics. Our results show that our first objective was fulfilled; that is, using 6 orthogonally situated TDXs to measure the V and V components of the flow field, a 2D vector field plot of a segment of the meridional plane was generated and shown to change with the rate of induced flow (rotation rate). However, because the number of TDXs used (6)were small, the coarse resolution of the velocity field limits the amount of velocity information. Therefore traditional data presentation methods to evaluate average and fluctuating quantities under steady and stepwise viewed transient conditions, are indispensible for data analysis. The measurement method holds promise as a useful tool in thermohydraulics as the number of TDXs is increased and therefore the spatial resolution. Some of these possibilities are described in this report.