A Comparative CFD exercise on bubble hydrodynamics using Euler-Euler and interface tracking approaches

Dehbi, A.*; Cheng, X.*; Liao, Y.*; 岡垣 百合亜; Pellegrini, M.*

Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 15 Pages, 2022/03

Nuclear degraded cores produce fission product aerosols that may reach the environment if not removed by natural processes and/or filtering equipment. The transport paths of aerosols usually include transits through stagnant water pools. It is therefore essential to develop computational tools to predict the aerosols retention by water pools. Currently, this is mostly done with 1-D lumped-parameter codes that are too simplistic to capture the physics. It is hence worthwhile to attempt the CFD approach, which has recently become reasonably mature to address bubble hydrodynamics in low momentum two-phase flows. In this first comparative exercise, we restrict the investigation to a hypothetical parallelepiped water pool (228 cm) into which air is injected through a circular 4 mm ID orifice at low velocity of 0.2 m/s. We present predictions of the gas phase dynamics (void and velocity profiles) for both Euler-Euler and Interface Tracking (IT, Volume-of-Fluid (VOF)) methodologies. In addition, we compare bubble shape, volume and detachment frequency from various IT simulation codes (CFX, Fluent, Star-CCM+, OpenFOAM). Reasonable agreement is found between IT simulations near the injector, but discrepancies increase as one moves towards the free surface. The disagreement between the Euler-Euler and IT results is substantial throughout the domain. Future studies will consist of validation exercises against experimental data to highlight potential model deficiencies and point to ways of remedying them.

Numerical investigation on unstable behaviors of cellular premixed flames at low Lewis numbers based on the diffusive-thermal model and compressible Navier-Stokes equations

Thwe Thwe, A.; 門脇 敏; 日野 竜太郎

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 13(2), p.18-00457_1 - 18-00457_12, 2018/12

https://doi.org/10.1299/jtst.2018jtst0034

拡散・熱的(D-T)モデル及び圧縮性ナビエーストークス(N-S)方程式を用いて広域における低ルイス数セル状予混合火炎の不安定挙動について、反応流れ場の二次元非定常数値解析を行った。圧縮性N-S方程式によって得られた火炎の成長増幅率は、D-Tモデルによって得られたものより大きく、不安定領域は広いことが分かった。計算領域を広くした結果、大きなセル状火炎から分離された小さなセルの数は劇的に増加した。このとき、圧縮性N-S方程式に基づく数値結果では、より強い不安定挙動及びより大きな平均燃焼速度が観察された。併せて、圧縮性N-S方程式によって得られたフラクタル次元は、D-Tモデルによって得られたものよりも大きかった。加えて、放射熱損失が低ルイス数予混合火炎の不安定性を促進することを確認した。

Orbit-based analysis of resonant excitations of Alfvn waves in tokamaks

Bierwage, A.; 篠原 孝司

Physics of Plasmas, 21(11), p.112116_1 - 112116_21, 2014/11

https://doi.org/10.1063/1.4902519

The resonant interactions between shear Alfvn waves and resonant fast ions are analyzed numerically in realistic geometry and with a realistic particle distribution for a JT-60U plasma driven by two 400 keV N-NBs. In order to deal with the large magnetic drifts of the fast ions, a new orbit-based resonance analysis (ORA) method is developed and applied. The ORA method uses mappings that allows us to unify resonance conditions for trapped and passing particles, determine which harmonics are driven, and which orders of the resonance are involved. After analyzing the resonance conditions, the effects of wave-particle trapping, kinetic compression and linear resonance overlap are examined. Finally, we discuss the implications for frequency chirping, convective amplification, the long-time evolution of the system in the presence of a fast ion source, and for the interpretation of experimental observations.

A Model equation for ballooning modes in toroidally rotating tokamaks

古川 勝; 徳田 伸二

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.210 - 213, 2004/00

これまでに、トロイダル回転シアはトカマクにおけるバルーニングモードの摂動エネルギーを減衰させ、その結果モードを安定化することを数値的に明らかにした。しかし、その減衰が引き起こされる物理機構は未解明である。これを明らかにするには解析的手法によるのが明快であると考えられるが、数値的研究に用いている方程式は複雑で解析には不向きである。したがって、本研究では、トロイダル回転を含めてバルーニングモードを記述するのに必要な基本的要素を残して簡単化したモデル方程式を導いた。さらに、その数値解を元の方程式のものと比較することにより、モデル方程式が今後の解析的研究に適切であることを示した。

熱流動解析コードPHOENICSを組み込んだ燃料溶液体系の動特性解析コードの開発及びTRACYの自然冷却特性実験の解析(受託研究)

渡辺 庄一; 山根 祐一; 三好 慶典

JAERI-Tech 2003-045, 73 Pages, 2003/03

JAERI-Tech-2003-045.pdf:4.96MB

燃料溶液体系の臨界事故では、正確な情報が必ずしも得られないことから、その熱流動の振舞いを把握するためにはパラメータサーベイ計算が必要である。しかし、一方では従来の熱流動解析計算は時間を要するため、許容できる計算精度の範囲内で計算時間を短縮できる実用的な計算手法が必要である。このため、汎用熱流体解析コードPHOENICSをサブルーチンとして取込み、熱流動を考慮した多領域動特性方程式に基づく中性子エネルギー1群の3次元動特性解析コードを作成した。核熱計算と流動計算の時間刻み幅を分離し、さらに出力の時間変化に応じて時間刻み幅を自動調整することによってコードの計算時間短縮化を図った。TRACYを用いた0.5ドルの反応度投入後の過渡出力に引き続く、緩やかな出力変化が5時間持続する自然冷却特性実験について解析計算を行った。実用的な時間の範囲内で計算が可能であり、出力及び温度変化についての解析値は実験値をほぼ再現する見通しを得た。

超高出力・超短パルスレーザー照射による物質状態の解析; プラズマ中のレーザー光の伝播特性

内海 隆行*; 佐々木 明; 藤井 貞夫*

計算工学講演会論文集, 5, 4 Pages, 2000/05

過渡的電子衝突励起X線レーザーを発振させるために、固体ターゲットをダブルパルスの短パルスレーザーで照射する方法が考えられている。第一のパルスで固体ターゲットを急速に加熱してプラズマ化する。第二のパルスでプラズマを追加熱し、媒質イオンをレーザー上準位に励起し、X線利得を発生させる。このシミュレーションのためには、レーザー光の吸収過程、レーザー光のエネルギーの吸収率とその空間分布の決定が重要である。ここでは、レーザー光線の軌跡はアイコナル方程式に従うとし、プラズマ中での光線の吸収過程を流体コードに組込み超高出力・超短パルスレーザーを固体へ照射した場合のレーザー光のプラズマ中での伝播特性について検討する。

CIP法を用いた固体溶融シミュレーション

内海 隆行*; 功刀 資彰*; 藤井 貞夫*; 佐々木 明; 赤松 幹夫*

CIPUS Annual Report, 4 Pages, 1998/00

X線レーザー照射によるプラズマ生成過程を連続体運動方程式で記述されるようなマクロスコピックな流体シミュレーションの立場から把握するためには、光と物質その相互作用のモデル化だけでなく、固体ターゲット照射にともなって生じる固・液・気各相の界面での大きな密度変化を精度良く捉えられ、かつ圧縮性高速流れから非圧縮性流れまでの広い範囲の流動現象を統一的に取り扱えることが必要である。矢部によって提案された3次補間擬似粒子法(CIP:Cubic-Interpolated Propagation)は、固・液・気各相を含む圧縮性・非圧縮性流体の統一解法に極めて有効な計算手法と考えられる。筆者らは、CIP法を異なる2種類の物質に対して適用できるように拡張し、多相・多成分の流体が存在する系に適用可能なコードを開発してきた。本報では、そのコードの概要と超短パルスレーザー光を金属に照射する問題に適用した結果について報告する。

Development of an atmospheric Rn concentration model using a hydrodynamic meteorological model,1; One dimensional practical model

茅野 政道; 山澤 弘実; 飯田 孝夫*

Health Physics, 70(1), p.47 - 54, 1996/01

https://doi.org/10.1097/00004032-199601000-00008

大気境界層内でのラドンの移行についての一次元数値モデルを開発した。モデルは、乱流クロージャーモデルを含む流体力学モデルと、ラドンの拡散モデルから成る。前者は後者に、境界層内でのラドンの鉛直混合に影響を与える乱流状態を入力するためのものである。計算結果を、弱風で強い日射を含む晴天時や強風の曇天日等の種々の気象状態でのラドン濃度測定値と比較し、モデルが、ラドン濃度の典型的日変化をよく再現できることを示した。

非平衡プラズマ衝突噴流の熱流動解析

功刀 資彰; 江里 幸一郎*; 清水 昭比古*

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.565 - 566, 1995/05

裏面から固気混相衝突噴流で冷却されていると想定した伝熱面へのアルゴンプラズマ衝突噴流の伝熱流動状態の解析を行った。プラズマを一価電離、電気的中性の電磁流体と仮定した1流体2温度プラズマモデルと、電子拡散を両極性拡散とした電子数密度保存の式を用いた。本研究の条件下では、噴流コア外縁域と淀み点付近では電子温度が原子とイオンからなる重粒子の温度より高くなる熱非平衡状態になっており、その領域では電子と重粒子のエネルギー交換が発生していること、また、伝熱面においてプラズマから8MW/m程度のピーク熱流束が除熱可能であることが分かった。

Simulation code of extraction contactor for analyzing transient behavior

前田 充; 藤根 幸雄; 内山 軍蔵; 渡辺 真樹男*; 白木 賢次*; 樫村 次夫; 山上 純夫*; 池田 正喜*

Solvent Extraction in the Process Industries, Vol. 3, p.1517 - 1523, 1993/00

シュミレーションコードSAFEの最も重要な特徴は、種々の形式の抽出器からなる抽出システムに関し、その流動状態、濃度分布、温度分布の過渡変化を精度良く計算できる機能にあり、またその流動モデルとしてバッフルプレート型パルスカラムに焦点が当てられている点である。このため、物質収支、熱収支とともに容量収支を考慮するとともに、脈動による抽出器内逆混合流れを精密に評価する試みが成されている。これら諸機能を、ホールドアップ測定、平常時におけるウラン抽出試験、及び異常時における過渡抽出試験等の結果と比較することにより検証した。