Numerical investigation of systematic measurement errors in conductance-type wire-mesh sensors for rod-bundle flows

ロッドバンドル流れにおけるコンダクタンス型ワイヤメッシュセンサの系統誤差の数値的検討

上澤 伸一郎  ; 吉田 啓之  

Uesawa, Shinichiro; Yoshida, Hiroyuki

ロッドバンドル流れにおける導電率型ワイヤメッシュセンサ(WMS)を用いたボイド率計測では、電極近傍に形成される電流密度の不均一性が計測精度を支配する。この不均一性により、瞬時のWMS信号は気泡の位置および形状の影響を強く受け、ロッドバンドル特有の幾何形状に起因した系統誤差が発生する。しかしながら、これらの誤差は十分に評価されていない。本研究では、これらの誤差のメカニズムと大きさを明らかにするため、三次元静電場シミュレーションを実施した。電流密度分布とWMS信号応答について、気泡位置、気泡形状、および送信・受信層間距離を変化させ、サブチャンネル、インターサブチャンネル、コーナーサブチャンネルの各領域に対して解析を行った。その結果、電流密度分布の空間的特徴はこれら3種類のチャンネル間で異なることが示された。そのためWMS信号とボイド率の相関は一意ではなく、気泡位置や形状、送信・受信層間距離に対して、その相関が各チャンネルで異なることを確認した。本研究では、これらの相関を統合することで、定量的な系統誤差を含む代表的なボイド率変換式を構築した。本研究の知見は、WMS計測の信頼性向上や、二相流CFD解析コードの検証における実験不確かさの評価に対して、定量的根拠を提供できると考えられる。

In void-fraction measurements using conductance-type wire-mesh sensors (WMSs) in rod-bundle flows, the measurement accuracy is governed by the non-uniform electric current density formed near the electrodes. This non-uniformity causes the instantaneous WMS signal to be strongly affected by the bubble position and shape, thereby introducing systematic errors specific to rod-bundle geometries. However, these errors have not been sufficiently evaluated. In this study, three-dimensional electrostatic simulations were performed to clarify the mechanisms and magnitudes of these errors. The current density distributions and WMS signal responses were analyzed for the subchannel, inter-subchannel, and corner-subchannel regions while varying the bubble position, bubble shape, and transmitter-receiver layer distance. The results demonstrated that the spatial characteristics of the current-density distribution differ among the three channel types. Consequently, the correlation between the WMS signal and void fraction was not unique, and the channel-dependent variations in the correlation were confirmed to arise from differences in bubble position, bubble shape, and layer distance. By consolidating these correlations, representative void-fraction conversion formulas incorporating quantitative systematic errors were developed. The findings of this study provide a quantitative basis for improving the reliability of WMS measurements and for evaluating experimental uncertainties in the validation of two-phase flow CFD simulation codes.