Development of a numerical method for compressible multi-phase flows including highly underexpanded jets

不足膨張噴流を伴う圧縮性混相流現象に対する数値解析手法の開発

内堀 昭寛 ; 大島 宏之; 渡部 晃*

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

高速炉蒸気発生器の伝熱管破損時安全評価を目的として、圧縮性混相流・ナトリウム-水反応現象解析コードSERAPHIMを開発している。SERAPHIMコードの開発において、高圧気体噴出挙動に対する再現性を検証することが重要な課題の一つとなっている。これまでの研究で、空気中に噴出する空気の不足膨張噴流に対して精度の良い予測結果が得られることを確認したが、本件では、伝熱管破損時により近い状況で再現性を検証する観点から、水中への高圧空気噴出実験を対象に検証解析を実施した。本解析では、二流体モデル,圧縮性混相流用のHSMAC法,2次精度TVDスキームを使用した。また、気液相間摩擦相関式に関しては、RELAPコードでも用いられている流動様式遷移条件や、適用性が高いと考えられる抵抗係数を選択して定式化を行った。検証解析により、水中空気噴流の挙動を正しく再現できることを確認し、開発した数値解析手法が適用可能であることがわかった。

Numerical analysis of highly underexpanded jets was performed by using a computer program SERAPHIM to investigate its applicability. When the pressurized water or water vapor leaks from a failed heat transfer tube in a steam generator of sodium cooled fast reactors, the multi-phase jet flow with sodium-water chemical reaction may cause wastage of the adjacent tubes. The SERAPHIM program has been developed for the simulation of the reaction jet. In the present work, the multi-fluid model, the constitutive equations modified for high-pressure or high-velocity conditions, the second-order TVD scheme and the HSMAC method considering compressibility were combined. In the case of the air jet into the air, the calculated pressure, the shape of the jet and the locations of a Mach disk agreed with the existing experimental results very well. Behaviors of the air jet into the water and the effect of the pressure change on the penetration length of the jet were also reproduced.