液体リチウム自由表面流に関する研究,2; ノズル内境界層流れのシミュレーション

Study on free-surface flow of liquid lithium, 2; Simulation of boundary layer flow inside nozzle in IFMIF

岡 剛司*; 帆足 英二*; 鈴木 幸子*; 滝田 将弘*; 金村 卓治; 近藤 浩夫; 古川 智弘  ; 山岡 信夫*; 堀池 寛*

Oka, Takeshi*; Hoashi, Eiji*; Suzuki, Sachiko*; Takita, Masahiro*; Kanemura, Takuji; Kondo, Hiroo; Furukawa, Tomohiro; Yamaoka, Nobuo*; Horiike, Hiroshi*

核融合炉材料開発のために工学実証・工学設計活動(EVEDA)が進められているIFMIFにおいて、ノズルより生成された液体リチウム噴流が中性子生成用の重陽子ビームターゲットとして設計されている。リチウムターゲットの健全性を担保するために、噴流表面に生じる波の振幅の設計目標値は1mm以内である。本研究では、表面波の形成に影響を及ぼすノズル内境界層流れについてCFDコードを用いて解析を実施した。ノズル出口流速が15m/sとなる条件で、高次の乱流モデルであるLESを用いて解析した結果、ノズル出口の壁面近傍にはゲルトラー渦が形成されているのがわかった。ゲルトラー渦とは、曲率のある流路の粘性底層に発生する縦渦である。生成されたゲルトラー渦は、消滅することなくノズルから吐出する結果を得ており、これがノズル直下での自由表面波の形成に影響を及ぼしていることが示唆された。

In the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF), a lithium (Li) jet produced by a nozzle is designed as a deuteron-beam target to generate neutrons. To maintain integrity of the Li target, amplitude of surface waves on the jet is designed to be less than 1 mm. In this study, a numerical simulation with a CFD code was conducted to examine a boundary layer flow along the nozzle wall which directly affects generation of the surface waves. Calculation results with Large-Eddy Simulation (LES) model showed that Goertler vortices were generated along the wall near the nozzle exit. After flow separation at the nozzle exit, the generated Goertler vortices did not disappear underneath the free surface. This suggests the vortices affects generation of the surface waves near the nozzle exit.