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A Study on improvement of RANS analysis for erosion of density stratified layer of multicomponent gas by buoyant jet in a containment vessel

格納容器内での浮力ジェットによる密度成層崩壊予測のためのRANSモデルの改良に関する研究

安部 諭 ; 石垣 将宏 ; 柴本 泰照; 与能本 泰介

Abe, Satoshi; Ishigaki, Masahiro; Shibamoto, Yasuteru; Yonomoto, Taisuke

格納容器内での多成分ガスで形成される密度成層を精度よく解析することはシビアアクシデントの安全評価の上で重要である。日本原子力研究開発機構は格納容器内熱水力現象調査を目的としてROSA-SAプロジェクトを開始した。このプロジェクトの一環として、我々は浮力ジェットによる密度成層の侵食および崩壊についれ数値流体力学(CFD)解析を実行した。その解析では、既往研究でよく使われているが密度成層の侵食・崩壊を過大予測するRANS解析の改善を試みた。具体的には、低Re型k-$$varepsilon$$モデルをベースとして、ジェットの成層への貫入部分での乱流エネルギーを適切に評価、密度成層内での乱流抑制効果を再現するための改良をほどこした。RANS解析の結果は、計算コストは莫大になるものの精度が高いとされるLES解析と比較をおこなった。その結果、密度成層の侵食・崩壊について、本研究で適用した改良型のモデルは従来モデルよりもLES解析とのよく一致した。

The analysis on a density stratification layer consisting of multiple gases in the reactor containment vessel is important for the safety assessment of sever accidents. The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) has started the project on the containment thermal hydraulics. We carried out Computational Fluid Dynamics (CFD) analyses in order to investigate the erosion of the density stratification layer by a vertical buoyant jet under this project. We used the Reynolds averaged numerical simulation (RANS) and Large eddy simulation (LES) models to analyze the erosion of a density stratification layer by a vertical buoyant jet in a small vessel which represents a containment vessel. This numerical study calculates the turbulent mixing of a two-component (air and helium) gas mixture. The turbulence models used for the RANS analyses are two types of k-$$varepsilon$$ models. The first model is the low Reynolds number k-$$varepsilon$$ model developed by Launder and Sharma. The second model is modified from the first model in order to accurately consider the turbulent production and damping in a stratification layer. The results indicated while the erosion rate calculated by the low-Re k-$$varepsilon$$ model was much faster than that of the LES model, the modified k-$$varepsilon$$ model could calculate the erosion rate similar to the LES result.

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