核破砕ターゲット内の乱流挙動に関する数値的予備検討

高瀬 和之; 北村 竜明*; 久米 悦雄; 一宮 浩一*; 駒田 一郎*

日本機械学会関東支部山梨講演会(2003)講演論文集,No.030-4, p.77 - 78, 2003/00

加速器駆動核変換システムのターゲット窓形状の最適化のための研究を山梨大学と協力して行っている。本論文は原研が担当した数値解析による予備検討結果をまとめたものである。ターゲット窓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。従来の研究から、衝突噴流場では壁面近傍の乱流成分による主流への影響が無視できないことを著者らは指摘した。本研究では、壁面近傍の乱流成分を高い精度で予測できると期待される低レイノルズ数乱流モデルを使って、現設計のターゲット形状を模擬した体系で2次元乱流解析を行い、乱れの等方性と非等方性による解析結果への影響を定量的に調べた。非等方性乱流モデルで予測した噴流衝突時の流速や乱流エネルギーの分布は実験結果の傾向をおおむね模擬できることを示した。

Experimental results of heat transfer coefficients and friction factors in a 2D/3D rib-roughened annulus

高瀬 和之

Experimental Thermal and Fluid Science, 13(2), p.142 - 151, 1996/08

https://doi.org/10.1016/0894-1777(96)00038-6

高温高圧条件のもとで3次元または2次元突起を有する環状流路の熱流動特性を調べた。3次元突起を有する環状流路の熱伝達率と摩擦係数は、平滑環状流路の値に比べてそれぞれ乱流域では23%、26%、層流域では21%、17%増加した。熱伝達率と摩擦係数が増加した主な理由として、従来考えられていた3次元突起による伝熱促進効果に加えて流路断面縮小による加速流の影響が無視できないことを実験的に明らかにした。一方、2次元突起を有する環状流路の熱伝達率と摩擦係数は、3次元突起のそれぞれの値に比べて乱流域では50%以上増加するものの、遷移域から層流域にかけては3次元突起の値を下回り、むしろ平滑環状流路の値に近づく結果が得られた。本研究により、この現状は流路の壁面粗さと粘性底層の関係から説明できることが分かった。さらに、2次元突起の伝熱性能は3次元突起の場合に比べて、本実験の範囲では流量一定の条件では約50%、ポンプ動力一定の条件でも約30%以上向上することを確認した。

Helium-air exchange flow through annular and round tubes

文沢 元雄; 菱田 誠

Nuclear Technology, 109, p.123 - 131, 1995/01

https://doi.org/10.13182/NT95-A35072

高温ガス炉のスタンドパイプ破断時空気浸入事故に関連して、垂直の環状流路、垂直・傾斜の円管流路をとおるヘリウム・空気置換流実験を行った。またマッハツェンダ干渉計により非定常濃度分布の可視化を行い、流動様式を観察した。その結果、環状流路の内筒が14mm以上(等価直径6mm以下)になると置換流量が低下すること、傾斜円管流路の流動様式は安定した分離流となること、また垂直の環状流路の流動様式は分離流となっている可能性のあることが分った。

Numerical prediction of turbulent heat transfer characteristics of a fuel rod with very small square ribs for high temperature gas-cooled reactors

高瀬 和之; 秋野 詔夫

The 3rd JSME/ASME Joint Int. Conf. on Nuclear Engineering (ICONE),Vol. 1, 0, p.535 - 540, 1995/00

ピン・イン・ブロック型炉心構造であるHTTRの場合、冷却材であるヘリウムガスは燃料棒と燃料チャンネルとで構成される環状流路を下降しながら、燃料棒によって最高950Cの出口温度にまで加熱される。この際、燃料温度は1200C以上の高温となるため、将来の高出力密度炉心では設計余裕(燃料使用最高温度との差)を十分に確保できない。そこで、燃料温度を現状よりも低下させるための一手段として、対流伝熱促進を期待した粗面燃料棒による伝熱流動実験が行われ、その熱流動特性が調べられた。本研究はこの実験結果をもとに、矩形突起付き環状流路内の熱流動解析を行って熱伝達率の数値予測の妥当性を評価したものであり、本成果は高温ガス炉用高性能燃料棒の開発や原子力熱エネルギー輸送機器の高効率化等に利用できるものである。

Experimental study of helium-air exchange flow through an annular tube

文沢 元雄; 菱田 誠

Proc. of the 2nd ASME/JSME Nuclear Engineering, p.85 - 92, 1993/00

高温ガス炉のスタンドパイプ破断時空気浸入事故に関連して、垂直及び傾斜した環状流路を通るヘリウム・空気置換流(対向流)実験を行った。またマッハツェンダ干渉計により非定常濃度分布の可視化を行い、流動様式を観察した。その結果、環状流路の内筒が14mm以上(等価直径6mm以下)になると置換流量が低下すること、垂直の環状流路の流動様式は傾斜円管流路の場合と同様に安定した分離流となっている可能性があることが分かった。

Hydraulics of a coolant flow through a control rod channel in the very high temperature gas cooled reactor

小川 益郎; 秋野 詔夫; 椎名 保顕; 藤村 薫; 武田 哲明; 江森 恒一; 大内 光男; 河村 洋; 菱田 誠

Journal of Nuclear Science and Technology, 24(1), p.75 - 83, 1987/01

https://doi.org/10.3327/jnst.24.75

高温ガス炉(VHTR)の制御棒流路における冷却材流れの流量配分と総圧力損失に関する流動特性について、実験と解析を行った。実験では、常温のヘリウムガスを用いて、ガラス圧を0.42MPa以下、総質量流量を0.005kg/Sから0.05kg/Sの範囲で変えた。制御棒流路の圧力損失と流量を測定した。解析では、制御棒の内側、外側、間隙の各流路に対して、一次元管路網モデルを用いた数値計算を行った。解析結果は、制御棒流路の冷却材流れの流量配分及び総圧力損失に関する実験結果と良く一致した。

強加熱下での環状流路内層流熱伝達の解析; 熱輻射および熱流束分布の存在する場合

橋本 憲吾; 秋野 詔夫; 藤井 貞夫*

JAERI-M 83-018, 17 Pages, 1983/02

JAERI-M-83-018.pdf:0.63MB

環状流路内を層流状態て流れるガス流を高温高熱負荷条件て加熱する場合の伝熱流動特性を明らかにする目的で、物性値変化を考慮し、境界層近似を行ったナビエ・ストークス方程式とエネルギー方程式を差分法によって数値解析し、加熱時における摩擦係数とヌッセルト数を求めた。その結果によれば、加熱が強くなるに従がって摩擦係数は増大する傾向か見られるが、ヌッセル卜数に対する依存性はほとんど見られない。さらに、応用例として、流路内外壁面問のふく射による熱移動及び流れ方向に非一様な熱流束分布を有する高温ガス炉燃料要素の場合に本解析を適用して、燃料温度や圧力損失等の熱特性を検討した。