On turbulence production in a jet passing through a grid-type obstacle; An LES approach

格子状障害物を通過する噴流の乱流生成に関するLES解析

安部 諭  ; 廣瀬 意育  ; 柴本 泰照 

Abe, Satoshi; Hirose, Yoshiyasu; Shibamoto, Yasuteru

乱流ジェットの相互作用は、さまざまな工学的応用において熱および物質移動において重要な役割を果たす。特に、原子炉内におけるジェットの合流現象は、炉心出口温度(CET)を炉心加熱の指標として用いる際の信頼性を検証する上で重要である。CETは、事故時の対応方針の判断や原子炉の安全運転を確保するための主要な指標の一つである。これらのジェット相互作用の力学を理解することは、原子炉の安全性および運用効率の向上に不可欠である。さらに、シビアアクシデント時の格納容器内熱流動の分野では、格子状障害物とジェットの相互作用挙動が大きな関心を集めている。本研究では、格子状障害物の影響を受けるジェット流の流動特性をより深く理解するために、大渦シミュレーション(LES)を用いた。特に、乱流生成メカニズムに焦点を当てている。乱流モデルの精度向上のため、コヒーレント構造Smagorinskyモデル(CSM)を導入した。実験データとの比較により、LESがジェット流れの挙動解析に有用であることを確認した。ジェットの渦構造はQ-criterionを用いて可視化した。さらに、格子状障害物が乱流運動エネルギー生成率に及ぼす影響について、各位置における周方向プロファイルおよび累積生成量を通じて分析を行った。

The interaction of turbulent jets plays a critical role in heat and mass transfer across a variety of engineering applications. In particular, the merging phenomena of jets in nuclear reactors are important for validating the credibility of the core exit temperature (CET) as an indicator of core heat-up. CET serves as a key criterion for accident management and ensuring the safe operation of the reactor. Understanding the dynamics of these jet interactions is essential for improving reactor safety and efficiency. Furthermore, in the field of containment thermal hydraulics during severe accidents, the behavior of a jet interacting with a grid-type obstacle has attracted significant attention. This study utilized Large Eddy Simulation (LES) to gain a deeper understanding of the flow characteristics of a jet affected by such an obstacle, with particular focus on the turbulence production mechanism. To improve the accuracy of turbulence modeling, the Coherent Structure Smagorinsky Model (CSM) was employed. Validation against experimental data confirmed that LES is a valuable tool for investigating jet flow behavior. The vortex structure of the jet was visualized using the Q-criterion. Additionally, the impact of the grid-type obstacle on the turbulence kinetic energy production rate was analyzed through radial profiles at various locations and its cumulative production.