Momentum exchange functions model for SIMMER-III and SIMMER-IV

SIMMER-III及びSIMMER-IVコードの運動量交換関数モデル

飛田 吉春*; 近藤 悟; 鈴木 徹*

Tobita, Yoshiharu*; Kondo, Satoru; Suzuki, Toru*

日本原子力研究開発機構が開発したSIMMER-III及びSIMMER-IVは、2次元及び3次元の多速度場・多成分流体力学モデルを空間・時間依存の核動特性モデルと結合した計算コードであり、液体金属高速炉の炉心崩壊事故の解析に広く利用されている。多速度場の流動解析においては、流体速度場間及び流体・構造壁間の抵抗や摩擦をモデル化した運動量交換関数(MXFと呼ぶ)が必要となり、これにより溶融炉心物質間の相対運動や運動に伴う反応度効果が精度良く模擬される。SIMMER-III及びSIMMER-IVでは最大8の速度場を使用でき、各速度場は他の速度場及び構造材壁と運動量を交換する。多成分・多速度場流体における運動量交換に関する理論的・実験的知見は限られているため、MXFの定式化は定常二相流に関する工学的相関式に基づいて行った。また、プール流及びチャンネル流における多相流流動様式のモデル化においては、適切な内挿手順を採用することにより流動様式の遷移におけるMXFの連続性を維持した。MXFモデルは、多相流境界面積モデルと合わせて、コード検証(V&V)プログラムを通じて幅広くテストを行った結果、従来のコードにおける2速度場の制約や簡易モデルに伴う問題点の多くを解決できることが示された。

The SIMMER-III and SIMMER-IV computer code, developed at the Japan Atomic Energy Agency (JAEA), is a two- and three-dimensional, multi-velocity-field, multi-component fluid-dynamics model, coupled with a space- and time-dependent neutron kinetics model. The codes have been used widely for simulating complex phenomena during core-disruptive accidents in liquid-metal fast reactors. In the multi-velocity-field fluid dynamics, momentum exchange functions (MXFs) are required for treating inter-field drag and fluid-structure friction effects and thereby for accurately simulating reactivity effects of relative motion of core materials. Up to 8 velocity fields can be used in SIMMER-III and SIMMER-IV, with each field exchanging momentum with other fields and structure surfaces. Since both theoretical and experimental knowledge of the momentum exchange processes for a multi-component, multi-velocity flows is limited, the developed MXF formulations are based on engineering correlations of steady-state two-phase flows. Multi-phase flow regimes for both the pool and channel flows are modeled with using an appropriate averaging procedure such as to avoid abrupt changes in MXFs at flow regime transition. The MXF model, together with the multi-phase flow topology and interfacial area model, has been extensively tested through the code assessment (verification and validation) program, which has demonstrated that many of the problems associated with limitation of two velocity fields and simplistic modeling in the previous codes were resolved.