液面の非線型不安定現象に関する基礎研究; 先行基礎工学分野に関する平成8年度報告書

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班目 春樹*; 岡本 孝司*; 飯田 将雄

Madarame, Haruki*; Okamoto, Koji*; Iida, Masao

自由液面や温度成層界面などの界面は変形を伴うことから、流体に対して非線型な境界となっている。この非線型境界条件に起因する、さまざまな非線型挙動が観測されている。高速増殖炉などの大型容器内においては、冷却材自由液面において、自励スロッシングなどの不安定現象が発生することが懸念されている。本研究においては、自由液面における非線型不安定現象を、基礎実験および解析の両面から検討した。液面に衝突する上向き平面噴流の自励振動「ジェットフラッタ」について、その振動数決定機構やエネルギー供給機構を知るため、諸変動量の振幅、位相関係を調べた。液面の振動に対し噴流の横変移は下流ほど位相が遅れていること、隆起位置の振動はその直下の噴流位置に対応していることが確認された。噴流の変移について計算する簡易モデルを作り実験と比較した結果、定性的にはよく記述できることが確認できた。液面隆起は噴流衝突点の移動に直ちには追従できないため、移動前面には低圧、背面には高圧の不釣合が発生する。不釣合は波として伝播していくが、衝突点が振動するときそこに液位の段差が現れ、これは水平方向に伝わる波で緩和されることはない。このため上下方向の液柱振動が励起される。これがジェットフラッタである。液柱振動と噴流衝突点振動の位相差と、衝突点振動から不釣合発生までの位相遅れの和がある条件を満たすとき、振動への供給エネルギーが正となる。さらに、自由液面における非線型性を考慮する上で重要となる自由液面と乱流との相互作用を、LDVや可視化によって計測し、自由液面における乱流現象について検討を実施した。実験では、水と高分子溶液の各自由液面に噴流を用いて乱流エネルギーを与え、界面乱流に対するToms効果の影響を観測し、窒素ガス噴流、溶液噴流により自由液面に発生した界面乱流は、Toms効果によって抑制されることがわかった。

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