Atomization mechanisms in the vortex-like flow of a wall-impinging jet in a shallow pool

浅水プール中の壁面衝突噴流の渦状流れにおける微粒化機構

堀口 直樹   ; 吉田 啓之  ; 金子 暁子*; 阿部 豊*

Horiguchi, Naoki; Yoshida, Hiroyuki; Kaneko, Akiko*; Abe, Yutaka*

シビアアクシデントにおいて溶融燃料は浅い冷却材プール中で壁面衝突噴流として振る舞って微粒化し、デブリとして堆積することが想定されるため、壁面衝突噴流の微粒化機構の解明が重要である。本研究は、浅水プール中の壁面衝突噴流の渦状流れにおける微粒化機構の解明を目的とし、微粒化の素過程として液滴形成に着目した。液液系において屈折率を一致させた3D-LIF法を用いた実験によって得られた三次元界面形状データに対して定量化手法を適用することで機構を定量的に調査した。液滴と渦状流れの拡がり挙動の詳細な観察およびこれら挙動の定量評価によって、渦状流れが液滴の支配的な発生源であることを見出した。次に渦状流れに働く力を分析し、この渦状流れの形成・崩壊プロセスを見出した。この渦状流れに働く法線力の加速度は遠心力の見かけの加速度および重力加速度で代表できる。次に微粒化の素過程である液滴形成に着目して分析し、渦状流れにおいて二つの液滴形成パターンを見出した。一つ目は液膜自体から液滴が形成する液膜破断パターンであり、二つ目は液膜上の界面波から液滴が形成するサーフィンパターンである。無次元数を用いて液滴データを整理し、異なる液滴形成機構を表した理論線と比較した。この比較により、渦状流れにおける液滴形成機構を明らかにした。

In a severe accident, as molten fuel is assumed to behave as a wall-impinging jet in a shallow coolant pool, atomize and accumulate as fuel debris, it is important to reveal the atomization mechanisms of the wall-impinging jet. This study aimed to reveal the atomization mechanisms in the vortex-like flow of a wall-impinging jet in a shallow pool of a liquid-liquid system, focusing on droplet formation as an elementary process of atomization. To quantitatively investigate these mechanisms, we applied quantification methods to three-dimensional interfacial data obtained by a previous experimental study using three-dimensional laser-induced fluorescence with index matching. Detailed observations of the spreading behavior of droplets and vortex-like flow, along with quantitative estimations, found out that the vortex-like flow is the dominant source of droplets on the atomization. Further investigations into the forces acting on the vortex-like flow found out the formation and collapse processes of the vortex-like flow. The accelerations of the normal forces acting on the vortex-like flow can be represented by superficial centrifugal acceleration and gravitational acceleration. Our next analysis focused on investigating droplet formation as the elementary process of atomization. The results showed two droplet formation patterns: liquid-film breaking patterns, wherein droplets directly form from the liquid film, and the surfing pattern, wherein droplets form from interfacial waves on the liquid film. Subsequently, the droplet data were grouped using dimensionless numbers and compared with theoretical lines describing the different droplet formation mechanisms. This comparison revealed the mechanisms of droplet formation within the vortex-like flow.