Numerical analysis of highly underexpanded jets by multi-phase flows and sodium-water reaction analysis program seraphim

混相流及びナトリウム-水反応解析プログラムSERAPHIMによる不足膨張噴流の数値解析

内堀 昭寛 ; 渡部 晃*; 大島 宏之

Uchibori, Akihiro; Watanabe, Akira*; Ohshima, Hiroyuki

ナトリウム冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管破損時に生じるナトリウム-水反応及び圧縮性混相流現象を対象に、数値解析コードSERAPHIMの開発整備を進めている。SERAPHIMコードでは、流速場・温度場・濃度場など材料損傷環境を評価することが目的であるが、そのためには伝熱管破損口から水蒸気が噴出したとき形成される不足膨張噴流に対して十分な再現性を得ることが必要不可欠である。そこで本研究では、SERAPHIMコードにおける数値解析手法の高度化を目的に、不足膨張噴流現象に対する再現性検証解析を実施した。空気中空気噴流の解析を実施した結果、1次精度風上差分では十分な再現性を得ることができないが、高次精度離散化手法(2次精度TVDスキーム)を適用すれば噴流形状や衝撃波(マッハディスク)の形状及び形成位置を実機相当の圧力条件において精度よく予測できることがわかった。さらに、同手法により水中に空気が噴出した場合の流況についてもおおむね正しく再現できることを確認した。

When the pressurized water leaks from a failed heat transfer tube in a steam generator of sodium cooled fast reactors, a highly underexpanded jet with sodium-water chemical reaction may cause wastage of the adjacent tubes. A computer program SERAPHIM for compressible multi-phase flows with sodium-water chemical reaction has been developed for safety assessment of the steam generator. In this study, numerical analysis of highly underexpanded jets was performed by using the SERAPHIM program to investigate its applicability. Through the analysis of the air jet into the air, it was demonstrated that the flow pattern and the location of a shock wave (Mach disk) were reproduced by the use of the high-resolution TVD scheme. Accuracy of the numerical results by the TVD scheme was higher than that by the first-order upwind scheme. Behaviors of the air jet into the water were also reproduced well in the present analysis.