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小瀬 裕男*; 高瀬 和之; 吉田 啓之; 叶野 琢磨; 秋本 肇
第18回数値流体力学シンポジウム講演要旨集(CD-ROM), 6 Pages, 2004/12
原子炉における冷却材の複雑な伝熱現象や相変化を含む混相流挙動に関する物理的メカニズムの詳細を数値的に解明し、また、原子炉燃料集合体をフルサイズで模擬した体系下で熱流動挙動の詳細を計算機上に再現することを目的として、地球シミュレータ等を利用した大規模シミュレーション技術の開発を行っている。本報は、技術開発の一環として行った将来型水冷却炉内二相流挙動の3次元予測結果について述べる。本提案の解析手法によって、狭隘流路を有する将来型水冷却炉の燃料集合体内の3次元水-蒸気分布の詳細を数値予測できる見通しを得た。また、気液界面の二相流構造,気泡の合体・分裂メカニズムに関して有益な知見を得た。
佐竹 信一*; 功刀 資彰*; 内藤 宣仁*; 高瀬 和之; 小瀬 裕男*
第18回数値流体力学シンポジウム講演要旨集(CD-ROM), 4 Pages, 2004/12
乱流は原子炉内でよく見られる現象であり、流体中の乱れのエネルギーによって伝熱機構や流動パターンが大きく変化することがわかっている。特に、磁場中においては流路内の速度分布は壁近傍で特有の速度勾配を持つことが指摘されている。そこで、磁場中における大規模乱流構造を直接計算によって調べた。基礎方程式は直交座標の3次元非圧縮性Navier-Stokes方程式と連続の式である。空間方向の離散化は、流れ方向にフーリエスペクトル法、流れと垂直方向に二次精度中心差分を用いた。また、時間方向には、非線形項は三次精度Runge-Kutta法、粘性項はCrank-Nicolson法で離散化した。一連の解析で予測した磁場中における高レイノルズ数乱流速度分布は、実験値とよく一致することがわかった。本提案の解析手法を使って磁場中における乱流構造を直接計算できる高い見通しが得られた。
秋野 詔夫
ハイテクシンポジウム山口2001「抵抗減少制御シンポジウム」論文集, p.37 - 43, 2001/11
流体摩擦損失の低減技術は、省エネルギーにとって重要な研究課題である。原子力分野では、長距離配管による熱輸送の動力の低減を通じて、熱利用に役立てることが考えられる。本講演は、新しい受動的流体摩擦低減面を考案し、水流で実測した結果を述べるものである。比較の規準としての平滑面,従来技術の追試としてのリブレット面の測定を行い、測定精度等の確認をした。新しい面として、改良縦リブ付d型粗面,アザラシ毛皮面,及び、ジグザグリブレット面の測定を行い、それぞれ低減効果を生ずることを示した。
呉田 昌俊; 秋本 肇
混相流シンポジウム2000(第19回)講演論文集, p.59 - 60, 2000/00
本研究は、中性子ラジオグラフィ高速度撮影法によりサブクール沸騰流中の瞬時ボイド率を計測し、沸騰開始位置(PNVG)を考察することを目的とした。片面加熱短加熱長矩形流路内サブクール沸騰流の瞬時ボイド率を計測誤差18%以内で計測を行い、これをアニメーション表示することで流動様式を定量的に観察した。また、沸騰開始クオリティをBowringモデルで計算し、実験結果と比較した。短加熱長流路内沸騰流の場合、加熱部上流端からすぐに沸騰開始条件を上回り発泡する傾向が実験とモデルで一致していた。既存のPNVG式と実験結果を比較した結果、既存のPNVG式は過小評価することがわかった。
呉田 昌俊; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 秋本 肇
Proceedings of International Workshop on Current Status and Future Directions in Boiling Heat Transfer and Two-Phase Flow, p.103 - 111, 2000/00
新沸騰流計測技術として中性子ラジオグラフィ動画法を開発し、従来計測が困難とされたサブクール沸騰流中の瞬時ボイド率の計測・動画解析、また時間平均ボイド率の測定が可能となった。本報では、まず本計測法を用いて得られるボイド率の計測誤差を固体の模擬体を用いた計測誤差評価実験及び各種誤差原因の解析的検討結果をもとに総合的に評価した。この計測誤差に関する詳細な検討結果から本計測技術により得られるボイド率データの計測精度を明らかにした。また、サブクール沸騰流中の瞬時ボイド率の動画解析による蒸気泡変動量の計測や時間平均ボイド率分布の計測結果をシステムパラメータごとに評価し、ボイド率マップ等データベースを作成した。サブクール沸騰流中のボイド率が高時間分解能で計測できたことにより機構論的バーンアウトアウトモデル等沸騰現象に起因する熱流体解析手法の検証や高精度化が可能となった。
呉田 昌俊; 松林 政仁; 秋本 肇
JAERI-Research 99-023, 29 Pages, 1999/03
JAERI-Research-99-023.pdf:1.67MB
大強度中性子源のターゲット等高出力機器の開発に関連し、高熱負荷サブクール沸騰時のボイド率を評価する必要がある。現在までに提案されているボイド率予測法は、円管流路で得られたデータをもとに提案された式が主であり、高熱負荷機器で採用される矩形流路への適用性は検討の必要性があった。しかし、狭間隙矩形流路内沸騰流のボイド率は現在まで計測が困難であったため予測法が確立されていない。そこで本研究では中性子ラジオグラフィを用いて狭間隙矩形流路内沸騰流の気泡挙動を可視化とボイド率分布を計測する技術を新たに開発し、本計測システムを用いてボイド率データベースを作成することを目的とした。本報告書は、中性子ラジオグラフィによるボイド率計測法及び片面加熱狭間隙矩形流路内サブクール沸騰時のボイド率計測結果をまとめた。
呉田 昌俊; 秋本 肇
Proceedings of 7th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-7) (CD-ROM), 8 Pages, 1999/00
大強度中性子源用核破砕固体ターゲットの冷却流路等高熱負荷機器の熱工学設計と関連して、片面加熱矩形流路内垂直上昇流の限界熱流束計測実験を実施し、システムパラメータの限界熱流束への影響を調べた。現在までに報告されている高熱負荷限界熱流束研究の多くが円管流路で得られた実験結果を基礎としており、高熱負荷機器の多くで採用される狭間隙短加熱長矩形流路内限界熱流束の予測法は実験データの少なさもあり確立されていなかった。そこで、本研究では矩形流路内限界熱流束研究の第1ステップとして実験結果と従来の予測法による計算値の比較を試み、従来の予測法の矩形流路への適用の可能性を検討した。検討の結果、数土モデル、Griffel相関式、Bernath相関式が、短加熱長・低入口水温条件下で得られた実験結果と良く一致する傾向があることがわかった。
呉田 昌俊; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 秋本 肇
Two-Phase Flow Modelling and Experimentation 1999, p.1509 - 1514, 1999/00
中性子ラジオグラフィという新たな方法を熱流動現象の定量化に適用するため新計測システムを開発し、本システムを用いてボイド率の計測を行った。本計測法を用いることにより従来計測が困難であった金属流路内流動、熱的非平衡系内流動、また狭間隙流路内での気泡挙動の可視化とボイド率の定量化が可能となった。本報には、核融合炉のプラズマ対向機器等片面から高熱負荷を受ける狭間隙流路内サブクール沸騰時の気泡挙動を高速度撮像法により可視化し、時間平均ボイド率分布を計測した結果を示した。次に得られたボイド率分布から沸騰開始条件を決定し、既存の予測法と比較した。そして、計測されたボイド率分布と既存のボイド率予測法を比較し、適用の可能性を検討した。検討の結果、既存の予測法では、加熱長が短い矩形流路内サブクール沸騰時のボイド率を適切に予測することが困難であることがわかった。
M.S.Islam*; 日野 竜太郎; 羽賀 勝洋; 門出 政則*; 数土 幸夫
Journal of Nuclear Science and Technology, 35(9), p.671 - 678, 1998/09
被引用回数：17 パーセンタイル：77.73(Nuclear Science & Technology)大強度核破砕中性子源となる固体ターゲット板に発生する高熱流束を除去するためのターゲット冷却流路の設計に資することを目的として、0.2mmの高さの矩形リブをピッチと高さの比(p/k)が10と20の条件で設けた片面一様加熱の狭隘矩形流路の乱流域における圧力損失及び熱伝達特性を実験的に調べ、それらの実験式をレイノルズ数(Re)が、2,400~98,500の範囲で導出した。高さ1.2mmの流路においてp/kが10の場合、Re数が8,000~30,000の範囲でリブのない平滑な流路よりも圧力損失は2倍、熱伝達率は2~2.5倍増大した。流路高さが3.2mmの場合には、圧力損失及び熱伝達率は平滑な流路よりも大きいものの、高さが1.2mmの場合よりも低い結果を得た。
呉田 昌俊; 秋本 肇
第11回熱工学シンポジウム講演論文集, p.73 - 76, 1998/00
大強度加速器の固体ターゲットや核融合炉のダイバータ板等の機器は、片面から強力なビーム入射があり高熱負荷となる。しかし、高熱負荷機器の除熱限界(CHF)予測法は確立されておらず、特に従来のCHFモデル中で計算される蒸気蓄積開始条件やボイド率予測値に関して疑問があった。本報では、原研のJRR-3Mを用いた高速度撮像中性子ラジオグラフィ法を確立し、サブクール水冷却による片面加熱矩形流路内バーンアウト時の時間平均ボイド率分布を計測した結果を示す。また一つの試みとして、計測したボイド率分布をもとに蒸気の正味蓄積開始クオリティと加熱部出口のボイド率を求め、既存のCHFモデルに代入し、モデルの妥当性を検討した。そして、KattoのCHFモデルに蒸気蓄積開始クオリティとボイド率計測値を代入した場合、CHF予測値が実験値に数倍~20倍程度近づく傾向があることが明らかとなった。
呉田 昌俊; 秋本 肇
Proc. of 6th Int. Conf. on Nucl. Eng. (CD-ROM), 13 Pages, 1998/00
大強度陽子加速器ターゲットなどの高熱流束負荷機器開発と関連して、片面加熱矩形流路内でのバーンアウト熱流束の把握が重要な課題となっている。本研究は、片面加熱矩形流路内を高速流速、高サブクール度の水を強制流動させた場合の、バーンアウト熱流束に及ぼす各種流動パラメータの影響を明らかにすること、また、現象論的バーンアウトモデル構築の第一ステップとして高熱負荷時の沸騰様式を観察し整理することを目的とした。本実験では、数百点のバーンアウトデータを系統的に蓄積した。得られたバーンアウト実験結果から、流路幅や入口水温等各種パラメータがバーンアウト熱流束に及ぼす影響を明らかにした。また、高熱負荷加熱面上を高速に生成・移動するサブクール気泡の流動様式を写真観察し、観察結果をもとに、流動様式を3タイプに分類した。そして、得られた実験結果と円管用に提案されているバーンアウトモデルによる計算結果を比較し、適用の可能性を検討した。
数土 幸夫
日本機械学会論文集,B, 62(601), p.3376 - 3382, 1996/09
本研究は、従来その物理モデルが不明確であった大気圧条件での高サブクール高流速下の限界熱流束について検討し、質量流束940~23,000kg/m
s、入口サブクーリング30~90
C、流路長30~100mmの加熱流路の既存の実験結果を比較的精度良く予測できる解析モデルを導出したものである。本解析モデルによって、大気圧条件下では加熱面上の蒸気ブランケットの速度の効果及びサブクール沸騰流の摩擦損失の効果が共に限界熱流束を増大させる効果を持っており、大気圧条件下の限界熱流束を高圧条件下の値と大きく異ならせている理由が説明できることがわかった。
数土 幸夫
Trans. ASME, Ser. C, 118, p.680 - 688, 1996/08
本報は、片面/両面加熱矩形流路における限界熱流束について、圧力が0.1~14MPa、質量流束が4~28000kg/ms、入口サブクーリングが4~328Kの非常に広い条件下の水を対象に理論的に検討したものである。加熱壁面上にマクロ液膜を仮定し、流速の小、大に応じて流れの特徴を把えた解析モデルを導出し、既存の実験結果と比較した結果、ほぼ
30%で実験し得る簡潔な解析解を導出することができた。
松林 政仁
中性子ラジオグラフィ写真集, P. 112, 1995/11
研究用原子炉の燃料要素冷却水流路を模擬した狭間隙垂直矩形流路中の空気-水対向二相流の中性子ラジオグラフィによる可視化画像及び画像処理により得たボイド率分布を示し、解説を加えた。可視化はJRR-3M熱中性子ラジオグラフィ装置の実時間電子撮像システムを用いて行った。矩形管はアルミニウム製で、流路内を水は上から下へ、空気は下から上へと流れている。画像を撮影した時の実験条件は、流路長さ:782mm、流路幅:66mm、流路ギャップ:2.3mm、空気流量:5l/minである。
数土 幸夫
日本機械学会論文集,B, 61(582), p.614 - 621, 1995/02
本報は、0.1~14MPaの広い圧力範囲で、垂直円管及び矩形流路の比較的低流量での飽和上昇二相流の限界熱流束を理論的な面から検討し、限界熱流束の発生メカニズムの解明と定量的評価を行ったものである.流路長0.15~0.6m、流路径3~7.8mm、入口サブクール0~300Kの円管流路と流路長350~780mm、流路ギャップ1.03~5mm、入口サブクール4~328Kの矩形流路での限界熱流束の実験結果と完全分離流モデルに基づく解析結果との比較から、層流液膜流中の限界薄液膜が消費される限界熱流束モデルが、低流量範囲で実験結果を良く予測することがわかった。限界熱流束の支配パラメータに、流量、圧力、入口サブクール、流路長径比並びに限界波長と流路径(又は流路ギャップ)との比があり、これらの効果を的確に評価できるモデルを提案することができた。
数土 幸夫
日本機械学会論文集,B, 60(580), p.4229 - 4235, 1994/12
大気圧近傍での垂直矩形加熱流路における、上昇飽和二相流の限界熱流束の発生メカニズムについて、解析的に検討した。その結果、流路長350~750mm、流路ギャップ1.03~5mm、流路幅が40~51mmの片面及び両面加熱流路の既存の実験結果との比較から、次の重要な知見が得られた。(1)限界熱流束発生点で、完全分離二相流を考え、層流の液膜流中に限界液膜厚さの薄液膜を考え、これがドライアウトするのが限界熱流束とすると、無次元流束G
100の範囲で実験デ-タを非常に良く予測する。(2)大気圧近傍で、流路長Lと等価水力直径Deの比L/Deが70以上の本研究で対象とした既存の実験条件範囲では、入口サブクールの効果は無視できること、Lが小である程、又、Sが大である程限界熱流束は大きくなるが、Gが大になるとこれらの効果は次第に小となること、が明らかとなった。
数土 幸夫
日本機械学会論文集,B, 60(574), p.2176 - 2182, 1994/06
垂直矩形流路の対向二相流における落下水制限現象に関し、先に著者らが得た実験結果に対し「流路全体の気液の運動量の釣合式で、落下水量が落下液膜の厚さに関し最大値をとる」新しい解析モデルを適用し、その制限メカニズムの解明と落下水量の定量的評価を行った。その結果、解析モデルは流路長362,782mm、流路幅33,66mm、流路ギャップ2.3~12.3mmの幅広い流路条件での大気圧の空気-水二相流の実験結果と非常に良い一致を示した。また、現象の支配的要因が、矩形流路のどの辺が濡れているかという流動パターン、気液相対速度に基づく気液界面の摩擦損失係数、気液の壁面摩擦の層流,遷移域、乱流域の考慮及び流路断面の縦横長さ比であることを明らかにした。
M.Z.Hasan*; 高瀬 和之
15th IEEE/NPSS Symp. on Fusion Engineering,Vol. 1, 0, p.1202 - 1205, 1993/00
核融合炉のプラズマ対向機器内に設置される矩形冷却材流路は、流路片面にだけ大きな熱負荷を受けるため、流路表面に非均一な熱流束分布を生じる。また、磁性流体の場合には炉内の強い磁気の影響でMHD効果を生じる。そこで、本研究では矩形流路内MHD層流熱伝達に及ぼす非均一熱流束及びMHD効果の影響を、数値的に評価したものである。作動流体は液体リチウム、流路材質はバナジウム合金、計算パラメータはハルトマン数、アスペクト比及びプラズマ対向面とそれ以外の面との熱流束比である。矩形流路の伝熱性能はアスペクト比の増加とともに向上するが、最適な伝熱性能を示すアスペクト比はハルトマン数の関数となることがわかった。
高瀬 和之
流体工学部門講演会講演論文集, p.266 - 268, 1993/00
核融合炉のプラズマ対向機器内に設置される冷却材流路は、流路片面だけに大きな熱負荷を受けるため、流路表面に非均一な熱流束分布を生じる。また、磁性流体の場合にはMHD効果が速度分布を通して伝熱に寄与される。本研究では、十分に発達したMHD層流条件下で、矩形冷却材流路の熱伝達に対する非均一熱流束と流路アスペクト比の影響を数値的に調べた。本検討により、プラズマ対向面上のヌッセルト数は比均一熱流束の増加とともに減少し、アスペクト比の増大とともに増加することがわかった。また、最も良好な伝熱性能を示すアスペクト比はハルトマン数の関数として表せられることを示した。
数土 幸夫; 宮田 佳一*; 井川 博雅; 大河原 正美; 神永 雅紀
JAERI-M 84-149, 106 Pages, 1984/08
本報は、JRR-3改造炉の標準型燃料要素の1流路を模擬した加熱長750mmの矩形単一流路を用い、流速約0.05~6m/sの範囲で上昇流と下向流の強制対流熱伝達特性の相違を調べたものである。その結果、レイノルズ数が2000以上では従来の相関式が使用でき上昇流・下向流とで顕著な差異が無いこと、レイノルズ数が700以下では下向流の熱伝達率が上昇流に比べて低下することがわかった。以上の実験的知見から、JRRー3改造炉熱水力解析用熱伝達相関式の内の、上昇流と下向流とに適用すべき強制対流熱伝達相関式の妥当性を確かめると共に、低流速で浮力の影響が顕著になる領域の熱伝達相関式を提案した。
