核破砕中性子源用非結合型減速材容器の熱流動解析,1;流動解析と実験との比較

佐藤 博; 麻生 智一; 粉川 広行; 日野 竜太郎

日本機械学会関東支部茨城講演会(2003)講演論文集(No.030-3), p.47 - 48, 2003/00

大強度陽子加速器計画(J-PARC)ではMW級核破砕中性子源用に液体水素を用いた冷減速材を採用している。冷減速材は中性子場による高い核発熱条件下にあるため効率的な冷却が必要である。そこで、減速材容器内に衝突噴流を用いることで効率的な冷却を行うことを基本設計方針とした。これまでの研究で高Re型k-2方程式モデルによる設計解析が妥当であることが示されてきた。しかしながら、高Re型k-2方程式モデルは壁関数を壁面条件とするため、設計解析の高度化に対応できないことが予想される。そこで、減速材容器内を模擬した可視化実験を解析対象に、線形及び非線形の低Re型k-2方程式モデルを用いて数値解析を行った。その結果、両乱流モデルとも全体的な流れ場の状況は実験をよく再現できることを確認した。また、乱流エネルギー分布は両乱流モデルの結果に大きな違いがみられた。

Effect of turbulence models on thermal-hydraulics in targets of accelerator driven systems

高瀬 和之

Proceedings of the 1st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2001), p.376 - 381, 2001/10

鉛ビスマス混合物を冷却材とする加速器駆動核変換システム(ADS)のターゲット窓形状の最適化のため数値解析による予備的検討を開始した。ターゲット窓部分は高エネルギー陽子ビームによって高熱負荷を受けるため衝突噴流による除熱性能の向上が考えられている。ターゲット内は乱流であり、したがって、数値解析には適切な乱流モデルが必要である。強い乱れが発生する衝突噴流場では乱流成分の等方性は大きく崩れるため、非等方性乱流モデルが必要であることを筆者は指摘した。本報ではADSターゲット体系下で(1)標準型,(2)乱流消散率改良型及び(3)壁乱流型の3種類の2方程式k-乱流モデルを用いて解析結果に及ぼす乱流モデルの影響を調べた。(1)と(2)は等方性乱流モデル,(3)は非等方性乱流モデルである。(1)と(2)の場合に比べて(3)の場合にはターゲット窓近傍での渦の発生が多く、ホットスポット位置等も異なる結果が得られた。本結果をもとに乱流モデル改良や実験的検証を検討する考えである。

Analytical study of narrow channel flow for a spallation target system design

Islam, M. S.*; 寺田 敦彦*; 木下 秀孝; 日野 竜太郎; 門出 政則*

JAERI-Tech 2001-044, 49 Pages, 2001/07

JAERI-Tech-2001-044.pdf:2.49MB

十分に発達した乱流域での水の熱伝達と圧力損失特性について高さ1.2mmの狭隘矩形流路内で2次元的に解析を行った。流路形状や流動条件は核破砕ターゲットシステムにおける陽子ビーム窓や固体ターゲット模擬した。解析は高レイノルズ数モデルの標準モデルとRNGモデルを用い、壁関数を利用してレイノルズ数(Re)が7,000~22,000の範囲で行った。熱伝達特性に関しては標準モデルで得られたヌセルト数がDittus-Boelterの式とよく一致した。しかし、摩擦係数に関してはリブのついた管における値を再現しなかった。また、二つの乱流モデルで計算される摩擦係数に大きな違いはなく、ブラジウスの式の値とよく一致した。

Prediction of flow patterns and pressure distributions in suction process of volumetric scroll pump

Kritmaitree, P.*; 秋山 光庸*; 日野 竜太郎; 神永 雅紀; 寺田 敦彦*

Journal of Nuclear Science and Technology, 37(11), p.996 - 998, 2000/11

https://doi.org/10.3327/jnst.37.996

冷減速材システムの構築にあたっては、気体、気液二相流、液体と変化する水素を適切に流動させることが要件である。とくに、運転容易性を確保するには、水素の相状態にかかわらず流量制御の可能な体積型ポンプの適用が不可欠である。そこで、コンプレッサーに用いられているスクロール方式に着目し、液体ポンプとしての適用可能性を解析評価した。第一段階として、物性値の明らかな水流動条件下でスクロール形状を液体用にモデル化し、低レイノルズ数乱流モデルを適用して解析を行い、回転角度に対して滑らかな吸込み容積の変化を示すこと、ポンプ内部には入口圧力よりも100Pa程度低下する負圧領域を生じるもののキャビテーション発生までには至らないことなどを明らかにし、液体ポンプとして適用可能なことがわかった。

Numerical prediction of augmented turbulent heat transfer in an annular fuel channel with repeated two-dimensional square ribs

高瀬 和之

Nucl. Eng. Des., 165, p.225 - 237, 1996/00

https://doi.org/10.1016/0029-5493(95)01153-6

高温ガス炉用標準燃料棒よりも乱流熱伝達率を向上させるために、矩形突起付き燃料棒の開発を行った。この矩形突起付き燃料棒の伝熱性能を評価するために、2次元矩形突起を有する環状燃料チャンネル内の乱流熱伝達率を、k-乱流モデルと2次元軸対称座標軸系を使って十分に発達した非圧縮性流体に対して数値的に解析した。数値解析は、3000から20000のレイノルズ数範囲に対して、矩形突起ピッチと高さの比が10、20、40の3つの場合について行った。熱伝達率の予測値は、矩形突起付き燃料棒による実験データから求めた熱伝達相関式に対して、矩形突起のピッチと高さの比が10、20、40の場合にそれぞれ10%、20%及び25%以内の誤差で一致した。本研究により、矩形突起による伝熱促進効果は本数値シミュレーションによって十分予測できるとともに、そのメカニズムの一部は乱流エネルギー分布の流れ方向変化から良く説明できることが明らかになった。

高温ガス炉における円管内ガス冷却材流れの伝熱流動

小川 益郎

JAERI 1318, 44 Pages, 1989/07

JAERI-1318.pdf:2.43MB

高温ガス炉の熱水力設計では、過去に十分な研究の行われていない、(1)遷移域の流れ、(2)物性値の変化する流れ、(3)熱伝達の劣化する流れ、における伝熱流動特性を把握する必要がある。そこで、円管内ガス流れを対象として、遷移域における流路入口形状と遷移レイノルズ数の関係及び遷移域の摩擦係数と熱伝達率について調べた。また、層流と乱流における摩擦係数に対して、従来統一性のなかった物性値変化の影響について整理式を与えた。さらに、高熱負荷を受けた乱流の熱伝達劣化については、その原因が層流化であることを実験的に立証し、層流化過程での伝熱流動特性を明らかにした。合わせて、k-kL2方程式乱流モデルによる解析が、層流化する流れをも含めた物性値が変化する流れの伝熱流動に関する本実験結果を良く再現することを示した。

円管内加熱ガス流の摩擦係数に関する実験的・解析的研究

小川 益郎; 河村 洋

日本原子力学会誌, 28(10), p.957 - 965, 1986/00

https://doi.org/10.3327/jaesj.28.957

本研究では、垂直円管内ガス流について、加熱された層流と乱流、及び強加熱により乱流から層流に遷移する層流化遷移流れの摩擦係数に関する実験及び解析を行った。解析では、拡張されたk-kL型二方程式乱流モデルを用いて、物性値変化を考慮した数値計算を行った。実験では、ヘリウムガスを用いて、入口レイノルズ数Reを1340から25000の範囲で、入口無次元平均熱流束パラメータqを7.6010以下で変化させ、加熱開始点より10.2直径から145直径までの11点の摩擦計数を測定した。層流と乱流について、摩擦係数に及ぼす加熱による物性値変化の影響を検討し、さらに、層流化遷移流れについて、流れの間欠性や乱流変動の有無に関連付けて、摩擦計数の流れ方向の変化を調べた。解析結果は、層流化遷移流れの摩擦計数も含めて、実験結果と良く一致した。