Numerical study on onset of gas entrainment from free surface

自由液面からのガス巻込みの発生に関する数値的研究

功刀 資彰*; 江連 俊樹 ; 堺 公明; 伊藤 啓

Kunugi, Tomoaki*; Ezure, Toshiki; Sakai, Takaaki; Ito, Kei

コンパクトな高速増殖炉を設計するためには、原子炉容器内の冷却材自由表面におけるカバーガス巻込みの防止基準を明確化する必要がある。ガス巻込み現象に関して、自由表面流速が重要なパラメータであると考えられるが、ガス巻込み現象の発生に関する定量的な基準は未だ存在しない。本研究では、ガス巻込み現象評価手法構築及び防止基準明確化の一環として、MARS法を用いて、潜り込みによるガス巻込みを対象とした二次元数値解析及び表面くぼみによるガス巻込みを対象とした三次元数値解析を実施した。二次元解析の結果、時間平均した自由表面形状は実験結果と非常によく一致した。また、自由表面波速度,最大水頭,最大界面勾配が、流入流速基準のフルード数と相関を持つことがわかった。さらに、三次元解析の結果より、くぼみ渦の非定常挙動をMARS法によって捕えることが可能であり、くぼみ渦成長において三段階の流れ場パターンが存在することを明らかにした。

In order to design a compact fast reactor, it is necessary to clarify a criterion of a gas entrainment (GE) from the coolant free surface of the vessel. The surface velocity is considered as a key parameter of the GE. However, there is no quantitative criterion regarding the onset condition of the GE. In this study, two-dimensional waterfall simulation and a three-dimensional dimple simulation for the GE have been performed by means of the MARS method. The final goal of this study is to establish the evaluation procedure and clarify a criterion of these phenomena. Resulting two-dimensional waterfall simulations, the time-averaged wave shape is very similar to the experimental one. The surface wave velocity, the maximum surface head and the maximum surface slope are well correlated with inflow energy, i.e., Froude number. Moreover, the three-dimensional unsteady vortex-dimple motion can be captured by the MARS method and three flow modes in the vortex-dimple evolution can be observed.