Numerical investigation of the accuracy of a conductance-type wire-mesh sensor for a single spherical bubble and bubbly flow

単一球形気泡と気泡流におけるコンダクタンス型ワイヤメッシュセンサの精度の数値的検討

上澤 伸一郎  ; 小野 綾子 ; 永武 拓 ; 山下 晋   ; 吉田 啓之  

Uesawa, Shinichiro; Ono, Ayako; Nagatake, Taku; Yamashita, Susumu; Yoshida, Hiroyuki

ワイヤメッシュセンサ(WMS)の精度を明らかにするため、単一の球形気泡と気泡流に対してWMSの静電場シミュレーションを実施した。単一気泡の静電場シミュレーションでは、様々な気泡位置における電流密度分布と、送信ワイヤから受信ワイヤまでの電流経路を示した。その結果、WMS周囲の不均一な電流密度分布に基づく系統的誤差があることを明らかにした。また、数値流体解析コードJAEA Utility Program for Interdisciplinary Thermal-hydraulics Engineering and Research (JUPITER)で得られた気泡流結果に対して静電場シミュレーションを実施したところ、線形近似やMaxwellの式などの、WMS信号からボイド率への既存の変換方法では0と1の間の瞬間ボイド率の中間値を定量的に推定できなかった。また、WMS信号に対してボイド率0.2という大きなばらつきがあり、瞬間ボイド率を定量的に計測することが困難であることがわかった。一方で、時間平均ボイド率においては、流路の中心付近のボイド率は線形近似を使用して推定でき、流路壁面近くのボイド率はMaxwellの式を使用して推定できることがわかった。

We performed electrostatic simulations of a wire-mesh sensor (WMS) for a single spherical bubble and bubbly flow to clarify the accuracy of the WMS. The electrostatic simulation for the single bubble showed the electric current density distribution and the electric current path from the excited transmitter to receivers for various bubble locations. It indicated systematic errors based on the nonuniform current density distribution around the WMS. The electrostatic simulation for the bubbly flow calculated by the computational fluid dynamics code, JAEA Utility Program for Interdisciplinary Thermal-hydraulics Engineering and Research (JUPITER), indicated that the WMS had difficulty in quantitatively measuring the intermediate values of the instantaneous void fraction between 0 and 1 because they cannot be estimated by previous transformation methods from the WMS signal to the void fraction, such as linear approximation or Maxwell's equation, and have a significant deviation of the void fraction of 0.2 for the WMS signal. However, the electrostatic simulation indicated that the time-averaged void fractions around the center of the flow channel can be estimated using linear approximation, and the time-averaged void fraction near the wall of the flow channel can be estimated using Maxwell's equation.