Analysis of reacting gas jets in liquid pools using the SERAPHIM program

SERAPHIMプログラムを用いた化学反応を伴う液体中気体噴流の解析

内堀 昭寛 ; 渡部 晃*; 大島 宏之

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

高速実用炉蒸気発生器の伝熱管破損時安全評価に資することを目的として、圧縮性混相流・ナトリウム-水反応現象数値解析コードSERAPHIMを開発している。本研究では、反応性混相流現象に対する解析モデルの適用性を検証するため、Na-NaCl混合液中塩素ガス音速噴出実験を対象として検証解析を実施した。混相流の解析モデルとして圧縮性を考慮した多流体モデルを用い、基礎方程式の解法として圧縮性混相流に適用できるよう修正したHSMAC法を用いた。化学反応に伴う物質生成・消滅速度については、気液界面への気相の輸送速度が化学反応の進行を律するとした表面反応モデルを適用して評価した。塩素ガスの噴出条件やNaの濃度を変更した複数ケースの解析を実施した結果、化学反応に伴い噴流がある高さで消滅する現象を再現可能であるとともに、いずれのケースにおいてもその消滅高さが実験結果とよく一致することを確認した。以上の検証により、著者らが提案する解析モデルの適用性を示した。

A SERAPHIM program has been developed to calculate multicomponent multiphase flow involving sodium-water chemical reaction under a tube failure accident in a steam generator of sodium-cooled commercial fast reactors. In this study, the experiment on supersonic chlorine jet into Na-NaCl mixture was analyzed to validate applicability of the numerical models to reactive multiphase flows. The program uses a multi-fluid model and a HSMAC method modified for compressible multiphase flows. A mass generation rate by chemical reaction is evaluated from the assumption that progress of chemical reaction is limited by a mass flow rate of a reactant gas toward a liquid surface. Numerical results showed that the injected gas disappeared at a certain height. The calculated plume length showed good agreement with the experimental data against three different experimental conditions. The proposed numerical models were found to be applicable to multiphase flow with chemical reaction.