Experimental study of the effect of interfacial shear stress on jet

ジェットに及ぼす界面せん断応力の影響の実験的研究

柾木 直人*; 金子 暁子*; 堀口 直樹   ; 吉田 啓之  

Masaki, Naoto*; Kaneko, Akiko*; Horiguchi, Naoki; Yoshida, Hiroyuki

原子炉の炉心溶融が発生した場合、溶融燃料はジェット状に冷却材プールへ侵入する可能性がある。ジェットの微粒化は、溶融燃料と冷却材間の熱伝達を促進することから、シビアアクシデントマネージメントにおいて極めて重要である。これまでのジェットの微粒化に関する研究は、ジェットに作用する界面せん断応力に着目してきた。界面せん断応力は、界面波の成長と変形に寄与し、最終的には液滴形成を促進する要因となる。しかし、円柱状のジェットにおける界面波の発展を観察し、界面に作用するせん断応力を定量化することは実験では極めて難しいため、界面せん断応力がジェットに与える影響は未だ十分に解明されていない。本研究は、ジェットに及ぼす界面せん断応力の影響を実験的に明らかにすることを目的とする。実験は3D-LIF法およびPIVを用いた液-液系で行った。ここで、両相の屈折率を一致させるためジェット相にグリセロール-水溶液を、連続相にシリコーンオイルを用いた。ジェットは直径3mmのノズルからプールへ垂直下方に侵入させた。噴出速度は2.6m/s、プールの深さは30mmとした。3D-LIF法およびPIVのため、ローダミン6Gおよびトレーサ粒子を用いた。結果として、ジェットの界面で2種類の波が観察された。ノズルから15mm以上離れた界面では、大きな波が二次元(軸対称)で現れ、それらの表面上に波長=1mmの三次元的な小波が形成されることが確認された。さらに、小波に作用する界面せん断応力は、大波に作用するそれよりも大きいことが明らかとなった。また、小波からは容易に液滴が形成されることが観察された。これらの結果から、小波に高い界面せん断応力が作用することにより、液滴形成が促進されることを実験的に結論付けた。

In the event of a core meltdown in a nuclear reactor, molten fuel has a possibility to enter a coolant pool in a jet-like manner. Jet atomization promoting heat transfer between molten fuel and coolant is crucial for severe accident management. Previous studies of jet atomization have focused on interfacial shear stress acting on a jet because it contributes to the growth and deformation of interfacial waves and ultimately promote droplet formation. However, it is extremely difficult to observe interfacial wave evolution on a cylindrical jet and quantify interfacial shear stress acting on an interface. Then, the effect of interfacial shear stress acting on a jet is not fully clarified. This study aims to experimentally clarify the effect of interfacial shear stress on jet atomization. We conducted experiments in a liquid-liquid system using the 3D-LIF method and PIV. Herein, a glycerol-water solution was used as a jet phase and silicone oil as a continuous phase to match their refractive indices. A jet entered vertically downward through a 3 mm nozzle into a pool. The injection velocity was 2.6 m/s, and the pool depth was 30 mm. To use the 3D-LIF method and PIV with refractive index matching, Rhodamine 6G and tracer particles were used. As a result, waves on a jet interface were observed to have two modes. The larger waves appeared in a two-dimensional (axisymmetric) form at the interface more than 15 mm away from the nozzle, and three-dimensional smaller waves (wavelength = 1 mm) were found to form on the surface of these larger waves. Furthermore, the interfacial shear stress acting on the smaller waves was found to be greater than that acting on the larger waves. Droplets were also observed to form easily from the smaller waves. From these results, we experimentally concluded that high interfacial shear stress acting on small waves promotes droplet formation.