A Comparative study on the interfacial tension models of the particle method for the liquid-liquid-gas three-phase flow

気-液-液三相流に対する粒子法の界面張力モデルの比較研究

福田 貴斉 

Fukuda, Takanari

溶融炉心-コンクリート相互作用(MCCI)の理解を深めることは、過酷事故対策や燃料デブリ取り出しの観点等で重要である。高温のコリウムを用いた実験的研究は困難であるため、数値流体力学(CFD)を用いることでコリウム中で起こる熱流動に関する物理的知見を得ることが期待される。粒子法はCFDの一つであり、MCCI下のコリウムで典型的に想定される多相多成分流を容易に追跡できる利点がある。しかしながら、界面張力に対するモデリング手法の妥当性については、特に三相以上の混相流については、まだ十分に検討されていない。そこで本研究では、単純な気-液-液の三相流を、界面張力モデルとしてContinuum Surface Force (CSF)モデルとポテンシャルモデルの二種類を用いて解析を行った。比較の結果、CSFモデルは十分な解像度ではより正確な結果を与えるが、安定性はバルク流体の解像度に大きく依存することが示唆された。一方、ポテンシャルモデルは、幾何学的な情報を数値的に推定する必要がないため安定性の点で優れているが、粒子間ポテンシャル力が局所的に非物理的な圧力分布を引き起こすことがあり、特に多相界面上での界面張力の再現に課題があることがわかった。

Deepening the understanding of the molten core-concrete interaction (MCCI) is of the great importance for the sake of the severe accident managements as well as the fuel debris retrieval. Due to the difficulty to perform the experimental study with the extremely hot corium, the computational fluid dynamics (CFD) is expected to provide physical insights on the thermal-hydraulics taken place in the corium. The particle method are one of the CFDs that have advantages on seamless tracking of the multi-phase multi-component flow, typically involved in the MCCI. However, the adequacy of the modelling methods for the interfacial tension has not yet well investigated, especially for the general multi-phase flow with more than three phases. Hence, in this study, a simple liquid-liquid-gas three phase flow is analyzed with the existing two types of the interfacial tension models: the continuum surface force (CSF) model and the potential model. Through the comparison, it has been implied that the CSF model gives more accurate result with the satisfactory resolution, whereas the stability is strongly dependent on the resolution of the bulk fluid. On the other hand, the potential model outperforms in terms of the stability, presumably because it does not require the numerical estimation of the geometrical information. However the inter-particle potential force seems to induces locally unphysical pressure distribution, which can be especially detrimental on the multiple interface junctions.