周期配列突起を有する直線管路内の乱流解析

Numerical analysis of turbulent flow in periodically arranged ribs

岡垣 百合亜*; 杉山 均*; 加藤 直人*; 日野 竜太郎

Okagaki, Yuria*; Sugiyama, Hitoshi*; Kato, Naoto*; Hino, Ryutaro

ブロック型高温ガス炉の経済性向上にかかわる燃料棒の発熱密度を高めるため、燃料棒の黒鉛シースに周期配列突起(リブ)を設けて燃料棒の乱流熱伝達を促進させることが考えられている。リブ加工時の製作性を考慮して、リブ断面は直方体形状を候補としているが、熱伝達性能に及ぼす配列のピッチやリブ高さなどの影響及び効果をあらかじめ把握しておく必要がある。そこで、今後の燃料棒設計への適用を見通して、非等方性乱流にも適用でき、しかも、解析負荷を抑制できる乱流モデルとして代数レイノルズ応力モデルに注目し、同モデルを用いて周期配列リブ付き直線管路内の乱流解析を行った。その結果、リブ付き流路に特徴的な流れの再付着点位置やリブ周辺の渦をよく再現し、同モデルはリブに起因する非等方性乱流場の予測に適用できることがわかった。

Turbulent heat transfer enhancement using periodically arranged ribs processed on the graphite sleeve of a fuel rod aims to increase heat generation density of the fuel rod, which can potentially improve the economics of a block type high-temperature gas-cooled reactor. Rectangular cross section of rib is selected because of easy processing. Furthermore, it is important to find optimum rib topology such as pitch and height to maximize turbulent heat transfer performance. In order to develop a turbulent model as a design tool for rib-roughened fuel rod, numerical analysis has been conducted to verify applicability of an algebraic Reynolds stress model, which is computationally efficient, to non-isotropic turbulent flow in rib roughened channels. The results of the analysis on a square duct with periodically arranged ribs on the bottom wall are shown to reproduce very well the flow characteristics such as flow separation and reattachment behind the ribs. The model is therefore expected to be applicable to rib-enhanced fuel rod design.